ピロエレクトリックナノ発電機：廃熱をクリーン電力へ変換
ピロエレクトリック効果
コンピューターから自動車、高圧送電線まで、デバイスは大量の熱を環境へ放出しています。ピロエレクトリック効果—古代ギリシャ哲学者テオフラストスが加熱したトルマリンが藁を引き寄せるのを観察して初めて記録—は、この失われた熱エネルギーを電気へ変換します。トルマリンなどの特定材料が加熱または冷却されると、分子構造が再配列し、電子アンバランスを生じて電流を駆動します。
ナノ発電機
ジョージア工科大学の研究者たちは、垂直に立つ短い酸化亜鉛ナノワイヤーアレイを用いて、温度変動を利用するピロエレクトリックナノ発電機（NG）を設計しました。このデバイスは、加熱または冷却されるたびに電力を生成し、昼夜の温度変動でも動作します。
これらのNGは、ナノテクノロジーの自己電源化の未来を約束し、ワイヤレスセンサー、温度イメージング、医療診断、環境熱エネルギーで動作する個人用マイクロエレクトロニクスを可能にします。
ナノ発電機の応用
ピロエレクトリックナノ発電機は、他wise失われる熱を回収する消費者エレクトロニクスの基盤となり得ます。従来電池が機能不全に陥る低温環境—宇宙ミッションなど—で性能を維持できる点で特に価値があります。
国際共同研究
ウクライナ-アメリカ共同チームが、強誘電性ナノワイヤーを用いて同じピロエレクトリック原理を実証しました。これらの微小構造は、あらゆる周囲温度変化に応答して電流を生成し、熱揺らぎを利用可能エネルギーへ変換します。
ピロエレクトリック特性
強誘電性ナノワイヤーでは、ピロエレクトリック係数はワイヤー半径と結合に依存します。半径が減少すると係数は増大し、キュリー温度以上で常誘電状態へ転移する臨界サイズまで続きます。この「サイズ効果」により相転移温度の調整が可能となり、大きく調整可能なピロエレクトリック応答を実現します。
整流接点を用いると、分極した強誘電性ナノワイヤーは温度変化時に実質的な直流電流と電圧を生成可能です。可動部品のないこのデバイスは、in vitro生物システムから宇宙空間まで、長期間信頼性高く動作し得ます。
研究者たちは、これらのナノ発電機が低温で高効率を達成し、周囲温度上昇に伴い性能が低下すると予測しています。
ウェイクフォレスト大学のパワーフェルト
ウェイクフォレスト大学は、プラスチック繊維に埋め込まれたカーボンナノチューブで構成される柔軟な熱電布「パワーフェルト」を開発しました。室温と体温などの温度差を利用して電荷を生成します。
パワーフェルトの潜在用途
パワーフェルトは、自動車シート、断熱パイプ、屋根タイル熱収集による光熱費削減、衣服や装備への組み込みによるアスリートパフォーマンス監視、IVや傷口周りへの巻き付けによる患者健康追跡などでバッテリーを駆動・補助できます。緊急時には、この素材を裏地にしたジャケットが携帯電話充電や天気ラジオ駆動を可能にし、停電や事故時のレジリエンスを提供します。
72積層で現在約140ナノワットの電力を生成。さらにナノチューブ層を追加すれば厚みを減らしながら出力向上可能で、体熱収集でiPodなどエレクトロニクスを駆動するウェアラブルデバイスを実現できます。
ナノマテリアル