Vlhkost se obvykle se statickou elektřinou příliš „nesnese“. V suchém vzduchu si nabitý povrch udrží energii celé minuty. Stačí ale zvýšit vlhkost a náboj téměř okamžitě zmizí. Vznikají tenké vrstvy vody, které nenápadně odvádějí elektrický náboj pryč. Právě tato vlastnost vody dlouho omezovala výkon triboelektrických nanogenerátorů (TENG).
Tyto přístroje vyrábějí elektřinu při kontaktu dvou materiálů, které si při následném oddělení krátce vymění elektrický náboj. Jsou považovány za slibnou technologii například pro nositelnou elektroniku nebo medicínské implantáty.
Účinnost TENGů obvykle prudce klesá, jakmile vlhkost prostředí překročí 60 až 70 procent. To představuje zásadní technologický problém, protože lidské tělo i mnoho reálných prostředí takové hodnoty běžně dosahují nebo překračují. Vědci se proto snažili TENGy před vlhkostí chránit – například úpravou povrchu tak, aby odpuzoval vodu, nebo jejich uzavřením do ochranných obalů. Do určité míry to fungovalo, ale za cenu složitější konstrukce. Nová strategie jde přesně opačným směrem – místo boje s vlhkostí ji využívá. Nedávná studie publikovaná v časopise Advanced Functional Materials představila materiál, který s vlhkostí aktivně spolupracuje. Jde o fototvrditelnou pryskyřici, kterou lze tisknout do jemných a složitých struktur.
Klíčovým prvkem nové technologie je polymerní síť bohatá na polární skupiny. Na ty se vážou molekuly vody. Vlhkost tak výkon TENGu nesnižuje, ale naopak zvyšuje. Z někdejší slabiny se tak stává výhoda.
Vědci testovali tři akrylové polymery, přičemž každý byl zesíťován polyethylenglykol diakrylátem a vytvarován do tenkých filmů o tloušťce přibližně 200 mikrometrů. Tyto materiály obsahují chemické skupiny (karboxylové, hydroxylové a amidové), které ochotně vážou molekuly vody ze vzduchu. Nejlépe si vedla varianta založená na amidových skupinách – výkon TENGu s tímto materiálem rostl i při vlhkosti dosahující 90 procent.
Tým následně šel ještě dál. Do materiálu přidal zwitteriontovou složku, konkrétně sulfobetain methakrylát, který v jediné molekule nese kladný i záporný náboj. Tato struktura zesiluje polarizaci materiálu a přitahuje ještě více vody, čímž dále zvyšuje schopnost generovat elektřinu ve vlhkém prostředí.
Na obzoru se tak rýsují praktické aplikace nanogenerátorů odolných vůči vlhkosti – například v biomedicíně nebo v dalších technologických odvětvích.
Vlhkost jako spojenec, ne nepřítel
TENG a jeho slabina – nad 60–70 % vlhkosti účinnost prudce klesá
Nová strategie – fototvrditelná pryskyřice, kterou lze 3D tisknout, vlhkost využívá
Výsledek – varianta s amidovými skupinami funguje i při 90 % vlhkosti