Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Vědci zkoumají piezoelektrické vlastnosti rybích šupin

Rybí šupiny mají výtečné piezoelektrické vlastnosti (foto: Freeimages)

Piezoelektrický jev je znám už velmi dlouho, objeven byl někdy kolem roku 1880. Přesto může i dnes, v době různých technických zázraků, přinést nové zajímavé a užitečné aplikace. O to se nyní postarali indičtí fyzici, kteří testovali piezoelektrické vlastnosti rybích šupiny.

Jen pro připomenutí, piezoelektrický jev je schopnost určité látky generovat elektrické napětí při mechanickém namáhání. Nejznámějšími piezoelektriky jsou křemen, sfalerit nebo třeba kyselina vinná.

Řadu fyziků v poslední době napadlo tohoto jevu prakticky využít. Tak třeba na univerzitě v Princetonu vyvinuli před několika lety nanogenerátor, který využívá energii pohybu lidského těla k napájení osobní elektroniky, a dokonce různých medicínských implantátů. Založen je na nanovláknech z olovo-zirkon-titanátu, který má vysoké piezoelektrické napětí a dielektrickou konstantu, tedy vlastnosti ideální pro přeměnu mechanické energie na energii elektrickou. Ve stejné době vyvinuli australští fyzici piezoelektrický mikromotorek, který má pohánět miniaturní mikroroboty zavedené do krevního oběhu, a tak lékařům umožnit provést zcela nové chirurgické zásahy. O něco později vytvořili fyzici na Massachusetts Institute of Technology (MIT) novou generaci optických vláken, které mohou produkovat i detekovat zvuk. Základem těchto vláken je opět piezoelektrikum, tentokrát obklopené elektrodami. Technologický proces je sice složitý, ale aplikace jsou opět velmi různorodé. Od „chytrých tkanin“ až k výkonným stereo-systémům a různým čidlům a převodníkům.

K podobnému výzkumu se nyní vrátili fyzici z Indie. Na rozdíl od svých předchůdců však použili zcela jiný materiál, který našli, dalo by se říci, prakticky na smetišti – rybí šupiny vytříděné ze zbytků potravy. Šupiny z ryb jsou tvořeny kolagenovými nanovlákny, které mají výtečné piezoelektrické vlastnosti. Vědce proto napadlo, že by je mohli použít k sestrojení miniaturního generátoru, který bude mechanickou energii – například pouhý dotyk nebo různé zvukové vibrace, jež se vyskytují všude kolem nás – měnit na energii elektrickou. Indičtí fyzici prohlašují, že takové piezoelektrické generátory najdou uplatnění například ve vývoji samo napájecí spotřební elektroniky. Užitečné by mohly být také v medicíně, jako součást kardiostimulátorů či insulinových pump nebo při dopravě léků v těle pacienta, tedy v aplikacích, které sice spotřebovávají málo energie, ale zato ji potřebují neustále.

Kolagen se skládá ze tří polypeptidových řetězců, které se stáčí dohromady a vytváří trojitou šroubovicovou strukturu. Vodíkové vazby mezi polypeptidovými řetězci se všechny orientují ve stejném směru a fungují jako molekulární dipóly. Výsledkem je spontánní elektrická polarizace a piezoelektrické vlastnosti materiálu.

Uvnitř rybích šupin se kolagenová vlákna sama uspořádávají a cílem vědců je prozkoumat, jaký vliv na velikost piezoelektrického signálu toto uspořádání má. Aby mohli indičtí fyzici vytvořit nový ekologický piezoelektrický prvek, stačilo dojít na místní rybí trh a nasbírat tam šupiny, které se pomocí kyselinového demineralizačního roztoku staly průhledné a ohebné. K takto upraveným šupinám přidali zlaté elektrody a pomocí polypropylenového filmu vytvořili laminát. Konečnou fází pak byl odolný „bio-piezoelektrický nanogenerátor“.

Když vědci takový prvek podrobili působení opakovaného stlačování o velikosti 0,17 MPa, produkoval nanogenerátor výstupní napětí 4 V a proud 1,5 µA, tj. výstupní výkon 6 µW. Spojením čtyř takových přírodních zdrojů vyprodukovali výkon 24 µW při napětí 16 V. Jemným plácnutím rukou byli schopni zapnout více než 50 elektrolumi­niscenčních di­od.

Rybí šupiny mají několik zásadních předností. V prvé řadě jde o levný materiál. Ryby jsou v Indii oblíbenou potravou a odpad v podobě šupin je zde všude snadno dostupný. Kromě toho je materiál také zcela ekologický, a tím vhodný pro zmíněné biomedicínské aplikace. Jeho používáním se navíc sníží i množství elektronického odpadu, který často obsahuje toxické prvky, jako je olovo a bismut. Jde tedy skutečně o – jak se dnes říká – „zelený a trvale udržitelný zdroj“.

Piezoelektrický výstup rybích šupin je podle zúčastněných fyziků velmi slibný a nese velký potenciál pro využití v oblasti malých elektronických zařízení – zvláště když přihlédneme k vysoké účinnosti piezoelektrické přeměny energie. Oblast aplikací je velmi široká, od miniaturních důmyslných elektronických prvků přes lékařské monitorování a samonabíjecí implantované biomedicínské prvky po cílenou dopravu léčivých látek. Materiál by se dokonce mohl uplatnit i v oblasti národní bezpečnosti a u ozbrojených sil.

Původní materiál byl uveřejněn v Applied Physics Letters.

Archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop