Хлопчатобумажная ткань с полимерным покрытием вырабатывает электричество из окружающей влаги днём и ночью, питая светодиоды более 24 часов и заряжая носимые устройства за счёт влажности воздуха и пота.
В результате глобального круговорота воды в атмосфере ежегодно перемещается около 500 000 кубических километров воды. Каждый грамм этой воды при переходе из жидкого состояния в газообразное содержит 2,6 килоджоуля скрытой энергии. Если сложить всё это, получится примерно 1,2 × 10²⁴ джоулей в год, что в 2000 раз превышает годовое потребление энергии человечеством, составляющее примерно 6 × 10²⁰ джоулей. Однако практически ни одна из этих энергий не улавливается.
С точки зрения физики это должно быть возможно. Когда вода проходит через узкий канал, покрытый заряженными молекулами, ионы в жидкости разделяются по полярности. Положительные ионы движутся в одном направлении, отрицательные — в другом, и в результате возникает электрический ток. Это явление, называемое дрейфом ионов, было впервые описано в XIX веке. Современные наноматериалы позволили по-новому использовать этот эффект, поскольку их крошечные поры усиливают разделение ионов. Углеродные нанотрубки, оксид графена и белковые нанопроволоки демонстрируют измеримые напряжения при контакте с влажным воздухом или проточной водой.
Однако создание практических устройств по-прежнему остаётся сложной задачей. Большинство генераторов, работающих за счёт влаги, вырабатывают напряжение от микровольт до милливольт, что на несколько порядков ниже того, что требуется даже для простой электроники. Фундаментальная проблема заключается в равновесии. Как только материал поглощает достаточное количество воды, градиент концентрации, обеспечивающий движение ионов, исчезает, и ток прекращается.
Исследователи попытались решить эту проблему, используя солнечный свет для испарения воды с одной стороны своих устройств, чтобы создать постоянную сухую зону. Но при таком подходе возникает новая проблема: если испарение происходит слишком быстро, весь материал высыхает и градиент разрушается с противоположной стороны.
В исследовании, опубликованном в Advanced Materials («Высокоэффективное и стабильное производство энергии из влаги в любую погоду с помощью асимметричных структурированных цветных хлопчатобумажных тканей, подверженных фототермическому испарению»), представлено решение, которое позволяет сбалансировать эти противоречивые требования. Исследовательская группа из нескольких китайских университетов разработала хлопчатобумажную ткань с двумя полимерными покрытиями, которые создают самоподдерживающиеся градиенты влажности под воздействием солнечного света.
Конструкция имитирует процесс транспирации растений, при котором листья теряют воду в результате испарения, а корни непрерывно поднимают влагу вверх за счёт капиллярного эффекта. В ткани используются два полимерных покрытия с разными оптическими свойствами. Полипиррол поглощает почти весь падающий свет и эффективно преобразует его в тепло, обеспечивая быстрое испарение. Полидофамин отражает значительную часть света и испаряет воду медленнее, сохраняя влагу.
Покрыв полидофамином только половину ткани, исследователи создали асимметричную систему, в которой одна сторона остаётся влажной, а другая постоянно высыхает, поддерживая градиент, необходимый для стабильной выработки электроэнергии.
Изготовление начинается с того, что обычный хлопок пропитывают раствором мономеров пиррола, поверхностно-активных веществ и кислоты. Добавление хлорида железа запускает процесс полимеризации непосредственно на волокнах, в результате чего образуется черное проводящее покрытие, которое поглощает 98 % света в диапазоне от 300 до 2500 нм. Затем половина ткани с таким покрытием выдерживается в щелочном растворе дофамина в течение 22 часов. Дофамин самоорганизуется в плёнку толщиной 324 нм, которая приобретает ярко-фиолетовый цвет за счёт интерференции в тонких плёнках — того же оптического эффекта, который придаёт мыльным пузырям их радужные цвета. Этот фиолетовый слой поглощает только 74 % падающего света.
Разница в поглощении создаёт температурный градиент при освещении. Под воздействием имитации солнечного света мощностью 1000 Вт/м² область чёрного полипиррола нагревается до 45,3 °C, в то время как область фиолетового полидофамина остаётся при температуре 37,5 °C. Разница в 8,3 °C приводит к более быстрому испарению с чёрной стороны, которая непрерывно притягивает воду с более влажной фиолетовой стороны за счёт капиллярного эффекта в хлопковых волокнах. Ионы, переносимые этим потоком воды, создают ток, проходя через заряженные наноканалы. Один фрагмент ткани размером 3 × 6 см при относительной влажности 60 % и освещении «один солнечный свет» вырабатывает напряжение холостого хода 0,74 В и ток короткого замыкания 0,72 мА. Плотность выходной мощности достигает 29,2 мкВт см⁻², в то время как у ткани с покрытием из полипиррола без асимметричного слоя полидофамина этот показатель составляет всего 0,8 мкВт см⁻². Напряжение оставалось стабильным в течение 18 000 секунд непрерывной работы и не снижалось после 40 циклов включения и выключения подсветки в течение 11 часов. После месяца хранения на открытом воздухе характеристики не изменились.
Ткань работает и ночью. Без солнечного света две полимерные поверхности по-прежнему отличаются по степени поглощения воды. Эта химическая асимметрия поддерживает более слабый градиент, который в темноте создаёт напряжение примерно в 0,12 В. Шесть устройств, соединённых последовательно, на открытом воздухе при дневном солнце выдавали напряжение 1,18 В, а после захода солнца — 0,72 В, что свидетельствует о работе в любую погоду.
Шесть последовательно соединённых блоков непрерывно питали белые светодиодные лампы в течение более чем 24 часов. Исследователи вшили 15 блоков в жилет размером 30 × 9 см. Во время тренировок на свежем воздухе пот человека повышал влажность окружающей среды, а жилет выдавал 3,9 В и 0,7 мА. Конденсатор ёмкостью 1 Ф заряжался до 3,5 В за 1500 секунд, чего было достаточно для работы Bluetooth-наушников. Ночью тот же жилет питал небольшой фонарик.
Ткань выдержала механическое воздействие. После 100 полных циклов сгибания и 100 циклов трения о наждачную бумагу с зернистостью 400 выходное напряжение составило 0,72 В и 0,73 В соответственно. Стирка не оказала существенного влияния на отражающие свойства полидофаминовой плёнки.