Исследователи создают одноразовые датчики с органической схемой

Исследователи из корпорации NTT и Токийского университета разработали первую комбинированную схему батареи и датчика из экологически чистых материалов, которая может передавать сигнал связи. Устройство для проверки концепции состоит из угольных электродов и проводов и других безопасных материалов, включая магний и целлюлозу, вместо таких металлов, как литий, медь, кобальт и никель, которые потенциально опасны при небрежной утилизации.

Казухиро Гоми , генеральный директор NTT Research в Саннивейле, Калифорния, отмечает, что устройство все еще находится на ранней стадии разработки и предстоит еще много работы. «Но теперь у нас есть все элементы для экологически чистой батареи и датчика, и мы доказали, что концепция работает».

По словам Гоми, чтобы предотвратить дальнейший ущерб окружающей среде, такие органические устройства будут необходимы в грядущую эру триллиона датчиков и продолжающегося роста Интернета вещей (IoT). Он описывает сценарий, в котором обычные датчики, состоящие из опасных материалов, будут использоваться в огромном количестве по всему миру, чтобы отслеживать, среди прочего, состояние почвы, рост урожая, солнечное излучение, качество воды и воздуха, а также изменения погоды. Проблема возникает, когда срок службы этих датчиков подходит к концу, и они остаются бесхозными в окружающей среде в огромных количествах , образуя электронные отходы .

«Рост числа датчиков и аккумуляторов IoT может значительно увеличить нагрузку на окружающую среду, связанную с технологиями с истекшим сроком эксплуатации», — говорит Джефф Уокер , доцент инженерного факультета Технологического университета Квинсленда в Австралии . «Особенно учитывая потенциал больших объемов и короткий срок службы некоторых приложений».

В 2018 году исследователи NTT разработали первую итерацию «возвращающейся на землю батареи», — объясняет Масая Нохара, инженер-исследователь, участвующий в проекте. Основная концепция заключается в использовании материалов, изготовленных из ингредиентов удобрений и биоразлагаемых материалов. Устранение токсичных и редких металлов в этих устройствах позволяет создать экологически чистую батарею, которую можно легко выбросить.

Хотя углерод казался очевидным выбором для положительного электрода, говорит Нохара, порошкообразный уголь, обычно используемый в его конструкции, требует смол на основе фтора в качестве связующего вещества. Однако, когда использованные батареи утилизируются путем сжигания, смолы выделяют токсичные газы, поэтому они не подходят для проекта NTT.

Вместо этого исследователи обратились к биологически полученным материалам. После проб и ошибок они нашли подходящий углеродный материал, свободный от связующих веществ, а после разработки метода изготовления электростатического напыления они смогли создать пористые карбонизированные электроды без загрязняющих веществ. Для отрицательного электрода используется магний, в то время как электролит состоит из ацетата магния, а для сепаратора используется целлюлоза.

В настоящее время батарея-прототип имеет примерно одну десятую емкости коммерческой батареи объемом 6 кубических сантиметров, что достаточно для питания светодиодной лампы мощностью 0,1 Вт.

Чтобы проверить влияние батареи на основе удобрений на растения, исследователи раздавили несколько использованных батарей и смешали их части с почвой. Затем для выращивания горчичного шпината использовались три вида почвы: почва с измельченными батареями, почва с измельченными коммерческими батареями и обычная почва.

«Результаты подтвердили, что наша возвращенная на землю батарея не оказала неблагоприятного воздействия на рост растения, в отличие от почвы, содержащей измельченные части коммерческой батареи», — говорит Нохара.

Но, как отмечает Уокер, «конечно, необходимы дальнейшие испытания и размышления, чтобы понять более широкое влияние этих батарей — например, когда они попадают целыми или разлагаются в водные пути и морскую среду или попадают в организм животных или даже людей. ”

Для схемы датчика исследователи используют органические вещества, включая углерод, водород и серу для полупроводников, полиамид вместо кремния для подложки и углерод для проводки, среди других материалов.

«На их основе мы разработали транзисторы с угольными электродами, конденсаторы и регистры, не содержащие опасных элементов , в лаборатории профессора Дзюнъити Такея в Токийском университете », — говорит Гоми. «И мы использовали их для создания аналоговых схем генерации и схем цифровой модуляции с использованием методов изготовления CMOS».

Для проверки концепции исследователи соединили 10 батарей последовательно, чтобы поддерживать напряжение более 10 вольт в течение более 3 часов и выдавали ток в 1 миллиампер. Это использовалось для передачи сигнала частотой 140 герц со скоростью 7 бит в секунду.

«Сейчас это слишком низко, чтобы послать радиоволну, поэтому мы передавали сигнал по обычной проводке на динамик», — говорит Гоми. «Наша следующая цель — усовершенствовать схему, чтобы увеличить частоту и скорость».

«Концепция — отличная идея, — говорит Уокер. «Но большинство датчиков IoT с батарейным питанием включают в себя ту или иную форму беспроводного интерфейса, и для них у устройства для проверки концепции есть определенный путь. Пока эти органические датчики не станут сложными и достаточно быстрыми, чтобы поддерживать беспроводной интерфейс, NTT должна показать, что они могут создавать варианты использования, которые не зависят от беспроводных интерфейсов».

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com