Dla większości ludzi elektryczność statyczna jest lekko bolesną uciążliwością. Jednak inżynierowie w ostatnich latach pracowali nad wykorzystaniem tego pozornie przypadkowego zjawiska do taniego i łatwego wytwarzania niewielkich ilości energii elektrycznej.
Większość elektryczności statycznej jest produktem „efektu tryboelektrycznego”, który ma miejsce, gdy dochodzi do kontaktu dwóch materiałów i wymiany między nimi elektronów. Po rozerwaniu materiałów zachodzi nierównowaga elektronów, a niektóre atomy materiałów zyskują dodatkowe elektrony niż inne.
Ta nierównowaga wytwarza ładunek elektryczny na materiałach, a atomy materiałów pragną powrócić do ładunku neutralnego, co oznacza, że narodziła się energia elektryczna. Szok, jaki odczuwasz, dotykając klamki po przejściu przez pluszowy dywan, to atomy twojego ciała, które uwalniają dodatkowe elektrony, które zgromadziły z dywanu, aby mogły wrócić do ładunku neutralnego.
Tryboelektryczność jest nieprzewidywalna, ale inżynierowie w ciągu ostatnich kilku lat opracowali innowacyjne sposoby wykorzystania jej potencjału, od elektrod w oponach samochodowych po deski drewniane, które po wejściu tworzą elektryczność statyczną. Jednym z pionierów w tej dziedzinie jest inżynier Zhong Lin Wang z Georgia Institute of Technology, który stworzył generatory tryboelektryczne z szerokiej gamy materiałów, w tym ultracienkich polimerów, które mogłyby służyć jako ekrany dotykowe, tkaniny, a nawet butelki z napojami z recyklingu.
„W tym celu można wykorzystać prawie każdy materiał” - mówi Wang. W swoim najnowszym dziele tryboelektrycznym Wang sięgnął po materiał, który niewielu kojarzy się z elektrycznością - papier. Jako dziecko Wang mówi, że bawił się misternymi kreacjami wykonanymi z cięcia i składania papieru. Ta sztuka wschodnioazjatycka, której początki sięgają tysięcy lat, nazywa się „kirigami”, co przekłada się na „cięcie papieru” (jest ściśle związane z bardziej znanym „origami”, co oznacza składanie papieru).
„To prawdopodobnie najtańszy materiał [możliwy]”, mówi Wang, dlaczego wybrał papier, „i jest to biodegradowalny i bezpieczny materiał, którego używamy na co dzień”.
Wang i jego zespół pocięli laserowo papier ścierny na prostokąty i pokryli je cienkimi warstwami złota i innych materiałów przewodzących. Następnie ułożyli prostokąty w trójwymiarowe rombowe kształty. Te romby, które można zmieścić w dłoni i złożyć w celu przechowywania w portfelu lub kieszeni, wytwarzają energię elektryczną, gdy dana osoba naciska na nich palcami. Dzięki temu warstwy przewodzące stykają się ze sobą, zwiększając nierównowagę elektronów, która powoduje ładunek statyczny. Naciskając kilkakrotnie urządzenie papierowe na kilka minut, można wytworzyć około 1 wolta energii, co wystarcza do naładowania zegarka lub bezprzewodowego pilota zdalnego sterowania, a nawet małego urządzenia medycznego przez kilka minut w nagłych wypadkach, mówi Wang.
Wykorzystanie przez Wanga ciętej struktury kratowej wewnątrz rombu było „sprytnym podejściem do zwiększania pola powierzchni dla generacji tryboelektrycznej”, mówi inżynier Max Shtein z University of Michigan, który wykorzystał kirigami do stworzenia trójwymiarowych paneli słonecznych, które mogą wychwytywać więcej światła jako słońce porusza się po niebie. Inżynier elektryk z Uniwersytetu Columbia, John Kymissis, który podobnie jak Shtein, nie był zaangażowany w te badania, chwalił też „sprytny projekt Wanga dla zintegrowanej struktury wytwarzania i magazynowania energii”.
Wang, który ma patent na to urządzenie, ma nadzieję, że zostanie opracowany za kilka lat i będzie potencjalnie sprzedawany jako niedroga ładowarka jednorazowa lub, co ważniejsze, jako narzędzie do nauczania dzieci na temat działania elektryczności.
„Mogą generować moc i zapalać światła”, mówi Wang o potencjale. „Wszystkie te dobre rzeczy, które mogą zrobić za pomocą prostej struktury”.
Papierowa ładowarka została opisana w najnowszym numerze czasopisma ACS Nano.
