ZESPÓŁ AUTORSKI

Politechnika Śląska

prof. dr hab. inż. Marian Nowak
dr hab. inż. Tomasz Tański, prof. PŚ
dr inż. Piotr Szperlich
mgr. inż. Wiktor Matysiak

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Przedmiotem wynalazku są innowacyjne nanostrukturalne materiały kompozytowe o osnowie polimerowej oraz sposób ich wytwarzania, których wzmocnienie stanowią nanodruty SbSI, cechujące się wyjątkowymi własnościami fizycznymi ze szczególnym uwzględnieniem własności elektrycznych, oraz sposób ich wytwarzania.

Poprzez zastosowanie opracowanej przez autorów fazy wzmacniającej oraz kontrolę jej stężenia wagowego w kompozycie, możliwe jest dowolne manipulowanie własnościami wytworzonego nanokompozytu, otrzymując według potrzeb materiał dielektryczny lub półprzewodnikowy.

Tego typu materiały mogą być z powodzeniem stosowane do produkcji zaawansowanych elementów elektronicznych i elektrycznych takich jak cienkowarstwowe tranzystory czy superkondensatory, dzięki którym możliwe jest magazynowanie energii na dużą skalę.

Materiały do magazynowania energii są obecnie na etapie badań i rozwoju, i doskonale wpisują się w nowe dyrektywy unijne oraz programy międzynawowe, w tym dla przykładu program Horyzont 2020 o tytule „Large scale energy storage”, skupiający się na nowych sposobach magazynowania energii oraz na polepszaniu już istniejących rozwiązań technologicznych, mających na celu magazynowanie dużych ilości energii.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku są innowacyjne w skali świata nanostrukturalne materiały kompozytowe o osnowie ceramicznej oraz sposób ich wytwarzania, których wzmocnienie stanowią nanodruty jodosiarczku antymonu (SbSI) cechujące się silnie sprzężonymi własnościami ferroelektrycznymi oraz półprzewodnikowymi. Sposób otrzymywania nanostrukturalnego materiału kompozytowego według wynalazku umożliwia uzyskanie nanostrukturalnych włóknistych materiałów kompozytowych PVP/nanodruty SbSI oraz PAN/nanodruty SbSI.

Tak otrzymane nano/mikro włókna kompozytowe charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami piezoelektrycznymi, oraz zmienną przewodnością prądu elektrycznego (materiał półprzewodnikowy lub dielektryczny), dzięki czemu posiadają szerokie spektrum aplikacyjne w dziedzinie przemysłu wysokich technologii ze szczególnym uwzględnieniem przemysłu elektronicznego tzn. do budowy nanogeneratorów posiadających wysoką skuteczność przekształcania energii mechanicznej na energię elektryczną.

Zbudowanie pierwszego prototypu nanogeneratora na bazie wytworzonej kompozytowej włókniny PAN/SbSI oraz wstępne badania jego współczynnika elektromechanicznego wskazały duży potencjał w proponowanym rozwiązaniu, wyższy od opisywanych rozwiązań prezentowanych przez czołowe jednostki naukowo-badawcze Stanów Zjednoczonych, przy jednoczesnym zachowaniu niższych kosztów produkcji półproduktów.

Ponadto zastosowanie materiałów obojętnych dla organizmów żywych, do których należą zarówno zastosowane polimery jak i sama faza wzmacniająca, mogą pozwolić w przyszłości na wykorzystanie naszego rozwiązania do zasilania nanogeneratora wszczepionego w klatce piersiowej człowieka, który z kolei w sposób ciągły pobudzałby pracę serca przekształcając energię mechaniczną generowaną przez ludzkie ciało na impulsy elektryczne, stając się tym samym rozrusznikiem serca nie wymagającym stosowania baterii.

Wykonana analiza morfologii i struktury badanych materiałów kompozytowych wykazała równomierną dyspersję nanodrutów SbSI w osnowie polimerowej, co ma kluczowe znaczenie w przypadku przyszłych zastosowań aplikacyjnych tego typu materiałów. Przeprowadzone po raz pierwszy na świecie badania własności optycznych nanowłókien PAN/SbSI wykazały, że materiał ten cechuje się przerwą energetyczną rzędu Eg=1,94 eV, co w połączeniu z silnie sprzężonymi własnościami ferroelektrycznymi oraz półprzewodnikowymi kryształów SbSI świadczy o szerokich możliwościach aplikacyjnych nowoopracowanych nanowłókien kompozytowych, ze szczególnym uwzględnieniem wykorzystania tego typu materiałów do produkcji nanogeneratorów nowej generacji.

Ponadto opracowane materiały, tj. nanowłókna polimerowe z wypełnieniem w postaci materiałów ferroelektrycznych i/lub piezoelektrycznych cieszą się coraz większą popularnością w środowisku badawczym ze względu na ich ogromny potencjał dla wielu zastosowań technologicznych, w tym np. do produkcji urządzeń magazynujących energię, przetworników wysokich częstotliwości, wszczepianych biosensorów, absorberów drgań i kompozytowych czujników siły

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Możliwości zastosowania wynalazku:

1. Niezależne lub uzupełniające źródło energii dla urządzeń nano / mikro zużywających stosunkowo niewielką ilość energii.

2. Inteligentne poręczne systemy. Strój zintegrowany lub wykonany z tekstyliów z włóknem nano jest jednym z możliwych zastosowań nanogeneratora. Energia kinetyczna z ludzkiego ciała jest przetwarzana na energię elektryczną przez włókna nanogeneratora i może być ewentualnie stosowana do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak system monitorowania zdrowia połączony z inteligentnymi systemami Wearable. Nanogenerator można również łatwo zintegrować z butem, wykorzystując ruch pieszy ludzkiego ciała.

3. Sztuczna skóra wytwarzająca siłę.

4. Wszczepialny odbiornik energii telemetrycznej. Nanogenerator oparty na nanoprzewodniku ZnO może być stosowany do urządzeń wszczepialnych, ponieważ ZnO jest kompatybilny biologicznie, może być syntetyzowany na podłożu organicznym. Możliwości komercjalizacji:
- udzielenie licencji wyłącznej, niewyłącznej potencjalnemu producentowi nanogeneratorów,
- produkcja nanogeneratorów przez założoną przez twórców firmę spin-off