(а) Фотографии алкил-π-жидкости и алкил-π-геля во флаконах.
(б) Реакция датчика вибрации на основе геля алкил-π на вибрации частотой 17 Гц.
Фото: Такаши Наканиси Национальный институт материаловедения.

В последние годы растет интерес к разработке мягких, легких, генерирующих энергию материалов для использования в мягкой электронике, предназначенной для различных целей, таких как здравоохранение и робототехника. Электретные материалы, способные стабильно сохранять электростатический заряд, могут быть использованы для создания вибрационных устройств без внешних источников питания.

NIMS возглавляет усилия по разработке низколетучей жидкости алкил-π при комнатной температуре, состоящей из π-сопряженного красителя и гибких, но разветвленных алкильных цепей (тип углеводородного соединения). Жидкости алкил-π демонстрируют превосходные свойства сохранения заряда, могут наноситься на другие материалы (например, посредством окраски и пропитки) и легко поддаются формованию.

Однако когда эти жидкости были объединены с электродами для создания гибких устройств, их оказалось трудно иммобилизовать и герметизировать, что привело к проблемам с утечками. Более того, необходимо было увеличить способность алкил-π-жидкостей удерживать электростатический заряд, чтобы улучшить их возможности выработки электроэнергии.

Исследовательской группе недавно удалось создать гель алкил-π, добавив небольшое количество низкомолекулярного гелеобразователя в жидкость алкил-π. Было обнаружено, что модуль упругости этого геля в 40 миллионов раз превышает модуль упругости его жидкого аналога, и его можно упростить путем фиксации и герметизации.

Более того, гель-электрет, полученный путем зарядки этого геля, достиг 24% увеличения удержания заряда по сравнению с основным материалом (т.е. алкил-π-жидкостью) благодаря улучшенному удержанию электростатических зарядов внутри геля. Затем команда объединила гибкие электроды с гелем-электретом, чтобы создать датчик вибрации. Этот датчик был способен воспринимать вибрации с частотой всего 17 Гц и преобразовывать их в выходное напряжение 600 мВ, что на 83% выше, чем напряжение, генерируемое датчиком на основе жидкого электрета алкил-π.

В будущих исследованиях команда намерена разработать носимые датчики, способные реагировать на тонкие вибрации и различные деформационные деформации за счет дальнейшего улучшения характеристик зарядных электретов (т.е. зарядной емкости и срока службы заряда) и прочности алкил-π-геля. Кроме того, поскольку этот гель подлежит вторичной переработке и повторному использованию в качестве материала для датчиков вибрации, ожидается, что его использование будет способствовать развитию экономики замкнутого цикла.