Мы знаем, что любое вещество состоит из большого числа атомов. Если посмотрим на строение веществ, то мы увидим, что все они состоят из множества атомов – минимальных повторяющихся структур, которые можно встретить в материале. Если посмотреть на структуру под одним углом, то мы увидим, что расположение атомов симметрично. Однако в некоторых случаях атомы смещаются вправо, влево, вверх или вниз, что дает асимметричное расположение элементов. Когда мы говорим о симметричном устройстве элементов материала, мы будем повторять структуру миллиарды раз, и в итоге в материале, по словам доктора Янга Байя, не будет ничего необычного – этот материал будет подходить для изготовления обычных вещей, окружающих нас ежедневно – стола, стула, шкафа и прочего. Однако если мы используем асимметричную структуру, все изменится. Атомы обладают или положительным, или отрицательным зарядом, при асимметрии заряды будут разделены. В таком материале разные заряды будут притягиваться друг к другу, а на поверхности этого материала тоже будут присутствовать заряды. Если мы возьмем такой материал и надавим на него, то форма изменится. Поскольку изменится форма, то заряд тоже будет вынужден циркулировать. Так вызывается электрический ток, и появляется электричество. Если же выпустить заряд, то материал вернется к исходной форме, и ток пойдет в другую сторону. Таким образом, если повторять процесс нажимания и поднятия несколько раз, то поучается сигнал тока – это простое объяснение того, как движение превращается в электричество. Доктор Янг Бай и его коллеги называют созданный ими материал пезоэлектрическим.
«Научный аспект очень прост – он исходит из нашей природы и окружающего мира. Например, когда мы что-то проектируем, мы можем видеть, что структура может быть как симметричной, так и асимметричной. Мы понимаем, что симметрия выглядит красиво, например, в архитектуре зданий или в бабочках. Но асимметрия так же красива – мы видим ее повсюду (храм Спаса на Крови, логотип Apple и пр.). Более того, сам человек выглядит асимметрично. Природа задумана асимметричной – в науке асимметрия тоже просматривается», - рассказал доктор Янг Бай.
Изобретенный материал – основа для новой технологии получения энергии, так как движение благодаря ему превращается в электричество. Кроме того, есть материалы, которые перерабатывают солнечную энергию в электричество, и термические приспособления, которые могут превращать тепло в электричество. Если говорить о солнечных панелях и ветровых турбинах, то мы уже давно видим их повсюду.
«То, о чем я говорю, касается меньших масштабов. Возможно, вы не осознаете, что нам не хватает электричества не только в больших, но и в маленьких масштабах. Сейчас, когда различные устройства вроде смартфонов развиваются колоссально быстро, мы понимаем, что их аккумуляторов недостаточно. Есть целая группа удобных сенсоров и умных систем, которые в значительной степени упрощают жизнь человека главным образом потому, что потому позволяют получать информацию моментально и также моментально ей делиться. Речь идет о разного рода амбициозных проектах типа “умных” линз или “умных” глаз. Однако давайте подумаем, достаточно ли аккумулятора для подобных устройств, и куда его можно установить? Вряд ли кто-то захочет вставить себе в глаз линзу с батареей», – объяснил ученый.
Почему пезоэлектрический материал выгоднее аккумуляторов? Срок годности источника энергии – 10 лет. Новый материал является возобновляемым, поэтому им можно пользоваться на протяжении десяти лет, имея маленькое количество материалов. Если пользоваться батареей, то для десяти лет ее использования нужен огромный объем материала. Кроме того, люди хотят, чтобы устройство было беспроводным и его не приходилось заряжать от розетки. Эти проблемы легко решаются при помощи материала, производящего электричество, ведь он – постоянный источник энергии и лучшее экологичное решение.
Как же можно использовать новую технологию? Применений множество, говорит доктор. Например, мы каждый день производим определенные движения в коленях и локтях – можно использовать эту энергию для энергетического обеспечения некоторых устройств. Также есть обувь, на которую мы производим давление (ходя в ней), – мы можем собрать и эту энергию тоже. При утренней пробежке человек ощущает встречное движение воздуха, и его тоже можно превратить в электричество и использовать для питания различных устройств. Проект, над которым работает доктор Янг Бай совместно с компанией Huawei, – разработка необычного наручного устройства (сейчас оно уже доступно для приобретения).
«Мы модифицировали форму устройства, добавив в него четыре коротких линии для сбора энергии. И теперь, когда мы двигаемся, мы с помощью этого устройства производим электричество. Также мы можем увидеть, сколько электричества производим, и оценить свое поведение в течение дня», – объяснил ученый.
Коллеги доктора Янга Байя показали пример того, как можно собирать энергию из обуви (материал при этом находится на подошве): человек идет и производит электричество. При разной скорости и массе тела, можно производить разное количество энергии. Максимального количества энергии, которое можно произвести таким способом, достаточно, чтобы полностью зарядить телефон.
«Мы также можем использовать автомобили для освещения светофоров. Энергию можно производить, идя по дороге мимо магазинов. Кроме того, можно спроектировать искусственную траву, которая будет собирать энергию при дуновениях ветра. Сейчас, например, есть компания, которая занимается сбором энергии от ходьбы горожан: представители компании прокладывают дорогу из специальных плиток, наступая на которые проходящие люди генерируют энергию. На самом деле существует очень много различных способов применения технологии. Особенность моей работы заключается в том, что я собираю все эти способы сбора энергии в один материал. Раньше мы могли собирать энергию солнечного света, тепла или движения, а теперь мы научились собирать энергию из солнечного света, тепла и движения. Разница в одном союзе, но именно это является революционной технологией», – объяснил доктор Янг Бай.
Исследование, проводимое ученым, спонсирует Европейский союз. Сегодня уже есть два проекта по интеграции материала. Доктор Янг Бай сотрудничает с Высшей школой светового дизайна Университета ИТМО по линии создания «умных» аксессуаров, в которых планируется использовать новую технологию получения электричества из света, тепла и механической энергии. Второй проект связан с тротуарами города, однако сейчас специалисты работают над решением проблемы: тротуары непрозрачные, поэтому требуют модификации, чтобы они могли поглощать солнечный свет.
