Jedním z největších technologických kroků, které mají proběhnout v příštím desetiletí, je příchod internetu věcí (Internet of Things - IoT); technologický pokrok, který výzkum naznačuje, se nyní může do značné míry spoléhat na dodávky nanovláken.
Nanowires jsou popsány nanotechnology na MIT jako: „… štíhlé struktury, které jsou v průměru jen několik miliardtin metru, ale tisíckrát či milionkrát delší. Existují v mnoha podobách - vyrobených z kovů, polovodičů, izolátorů a organických sloučenin - mimo jiné pro použití v elektronice, přeměně energie, optice a chemickém snímání. “
Mezitím IoT popisuje společnost IBM jako „… koncept připojení jakéhokoli zařízení s přepínačem zapnutí / vypnutí k internetu. IoT je obrovská síť propojených věcí a lidí - to vše shromažďuje a sdílí data o způsobu, jakým jsou používány a o okolním prostředí. “
Přestože všichni čekáme a představujeme si, jak přesně připojení ledničky, auta a mikrovlnné trouby k internetu zlepší kvalitu našeho života, technologičtí specialisté jsou zaneprázdněni prací, jak nejlépe napájet tato zařízení ve vzdálených lokalitách.
Jednou z cest výzkumu je zachycení a přeměna rádiových vln na elektřinu. A právě zde mohou hrát klíčovou roli mimořádné vlastnosti nanowirů.
Rádiové vlny jsou kolem nás téměř pořád. Jsou emitovány ze základen mobilních telefonů pro použití v komunikaci. Tyto okolní rádiové vlny však mohou být použity k výrobě elektřiny pomocí antény pro sběr a prvku (diody) pro rektifikaci.
Pro tuto formu přeměny energie se obvykle používají Schottkyho bariérové diody, protože využívají rektifikaci na spoji vytvořené mezi kovem a polovodičem. Protože však rektifikační charakteristiky zpomalují při extrémně nízkém napětí a protože velikost použitých prvků je větší než několik mikrometrů (µm), citlivost na mikrovlny s nízkým výkonem slabší než mikrowatty (µW) je pro přeměnu elektřiny nedostatečná.
To vytvořilo výzvu k nalezení diody, která je dostatečně citlivá, aby reagovala na neuvěřitelně slabou energii z rádiových vln. Schopnost diody účinně pracovat je založena na její velikosti a „strmosti jejích rektifikačních charakteristik“.
Vědci z Fujitsu Limited, Japonské vědecké a technologické agentury (JST) a Tokijské metropolitní univerzity pomocí nanomateriálů vyvinuli vysoce citlivý usměrňovací prvek a učinili průlom, který je nezbytný pro pokrok IoT.
Jak uvádí průmyslový časopis Nanowerk, „Používáním nanowiru ve formě zpětné diody, která může skrýt nízkoenergetické mikrovlny do elektřiny,se očekává [vyvinutá vědci pod vedením Kenichi Kawaguči z Fujitsu Limited a profesora Michihiko Suhary z Tokio metropolitní univerzita], že nova technologie bude hrát roli při získávání energie z rádiových vln v prostředí, ve kterém je elektřina generována z okolních rádiových vln, jako jsou například ty, které jsou emitovány ze základen mobilních telefonů. “
Zatímco technologie za novou diodou založenou na nanočásticích je složitá, výhody jsou jasné. Jak oznámila tisková zpráva společnosti Fujitsu, „této výzkumné skupině se podařilo vytvořit zpětnou diodu, která:
1) má vynikající rektifikační charakteristiky i v nízkém napěťovém rozmezí v nanočásticích.
2) byla miniaturizována na šířku asi tisíciny šířky pramene vlasů. Nově vyvinutá zpětná dioda nanočástic dosáhla úrovně citlivosti více než 10krát vyšší než konvenční Schottkyho bariérové diody.
3) má technologii, kdy dokáže převést mikrovlny s výkonem 100 nanowattů (nW) na elektřinu. “
Výsledkem je zařízení s účinným dosahem, který je 10krát větší, než bylo dříve možné (což odpovídá 10% oblasti, ve které je možná komunikace s mobilním telefonem). Konkrétně tisková zpráva uvádí, že „v mikrovlnném frekvenčním pásmu 2,4 GHz, které se v současné době používá pro 4G LTE a Wi-Fi, byla dosažena úroveň citlivosti, která je 11krát vyšší než u konvenční Schottkyho bariérové diody.“
Toto je úroveň výkonu, díky níž je pravděpodobně použitelný jako zdroj energie pro senzory a vysílače pro IoT.
Probíhá práce, protože tým se zaměřuje na optimalizaci designu diod, jakož i na účinnost antény při sběru rádiových vln, a zároveň zmírňuje řízení výkonu, aby se zajistilo konstantní napětí.
Vědci jsou však optimističtí, že používání nanočástic v jejich diodách získá uznání, které si zaslouží, a tak formálně představili svá zjištění na Evropské konferenci o výzkumu zařízení pevných látek (ESSDERC), která se konala v polském Krakově v září 2019.
Zatímco nikdo si nemůže být jistý, jakou roli bude IoT hrát v budoucnu, je nyní předpovězeno, že pro přeměnu velkého množství okolních rádiových vln na energii pro komunikační systémy 5G a novějších 6G budou nyní použity zpětné diody nanočástic. Budou sloužit jako spolehlivý a doslova „bezplatný zdroj energie pro senzory“ a také přispívají k senzorům bez baterií, u nichž se předpokládá, že budou použity při monitorování infrastruktury, jako jsou mosty, tunely a budovy.
