Есть ли среди трёх слов, вынесенных в заголовок, лишнее? С котиками всё понятно, на их сакральный интернет-статус никто в здравом уме покушаться не будет. Электричество тоже лишним никак не назовёшь: представить нормальную жизнь хоть человека, хоть кота без него сейчас практически невозможно. Тогда, может быть, дороги? Но и без них со времён палеолита даже до пункта выдачи в соседней пещере не доберёшься. Хорошо, тогда есть ли что-то общее у этих трёх совершенно разных объектов, что могло бы их объединять? Разумеется, вряд ли бы у предлагаемой статьи был такой заголовок, не будь ответ на поставленный вопрос — да. Но чтобы разгадать этот ребус, нам потребуется химия, немного физики и чуть-чуть путешествий во времени.
Начнём с кошек. Самыми первыми, кто вывел культ усатых-хвостатых на государственный уровень, были, скорее всего, древние египтяне. Боги с котами, богини с головой кошки, верховные божества в образе кошек — коты у обитателей берегов Нила были в большом почёте. Позже «эстафету» котофилии подхватили древние греки вместе с древними римлянами. Так, в Помпеях и других римских городах обнаружено множество мозаик и фресок с изображениями кошек, занятых различными делами. Будь у римлян смартфоны, чьими фотографиями была бы забита их память?
Но раз древние жители Средиземноморья любили кошек, вероятно, они также практиковали и регулярное наглаживание своих любимцев. Однако если погладить кошку, то кроме созерцания довольной усатой морды иногда от неё же можно получить небольшой разряд током, а если делать это в темноте, то даже увидеть мелкие искорки. Статический разряд — скажем мы сейчас. Но пару тысяч лет назад на это если и обращали внимание, то с большой вероятностью списывали на какое-нибудь проявление божественной сущности. Вдруг этой кошке в этот момент покровительствует сам Зевс или Юпитер, так что лучше не задаваться подобными вопросами и дать котику ещё еды от греха подальше — с древними богами шутки плохи. К тому же человека тогда окружало множество куда более важных нерешённых вопросов мироздания, на которые ни религия, ни тогдашняя наука не могли дать правдоподобного объяснения. Поэтому, несмотря на то, что о необычных эффектах, возникающих при трении разных предметов (и живых и неживых) друг о друга, было известно уже давно, вплотную изучением электрических явлений учёные занялись сильно позднее, уже в XVII веке.
В 1661 году немецкий учёный Отто фон Герике конструирует первый электростатический генератор, который трещал, искрил, но что с ним делать полезного, тогда мало кто представлял. Хотя публичная демонстрация различных электрических явлений неизменно вызывала восторг у публики. Тем временем, «за кулисами» учёные шаг за шагом исследовали природу электричества, пытаясь найти закономерности в проявлении этого необычного свойства материи, в том числе электричества, возникающего при трении предметов друг о друга — трибоэлектричестве. Так, ещё в 1757 году шведский физик Иоганн Карл Вильке составил первый трибоэлектрический ряд, расположив разные материалы в зависимости от того, положительно или отрицательно они заряжаются, если их потереть друг о друга. Например, если стеклянную палочку потереть о шёлк, то стекло зарядится положительно, а шёлк — отрицательно. Значит, стекло будет ближе к «положительному» концу ряда, а шёлк — ближе к «отрицательному». Вроде бы вполне упорядоченная система, но не тут-то было.
Первые электростатические машины использовали трибоэлектрический эффект и генерировали электрический заряд за счёт трения вращающегося диска о ткань или другой материал. Более поздние генераторы — электрофоры — использовали принцип электростатической индукции и накопления наведённого заряда в металлических секторах двух вращающихся дисков. Ставшая наиболее известной конструкция электрофорной машины — машины Уимсхерта, была разработана Джеймсом Уимсхертом и, до того как поселиться в школьных классах физики, долгое время использовалась в качестве генератора высокого напряжения для ранних рентгеновских аппаратов.
Во-первых, трибоэлектрические ряды получились очень разными у разных исследователей. И ладно, если бы это было в ХVIII или ХIХ веке, когда стандартизация и метрология не пользовались таким большим пиететом у учёных и каждый норовил придумать свою шкалу или систему величин. Но даже в наше время воспроизводимость трибоэлектрических рядов далека от идеала. Во-вторых, довольно быстро были открыты так называемые трибоэлектрические кольца, в которых нарушался принцип линейности. Так, если материал А заряжается положительно при трении о материал B, а материал B ведёт себя точно так же по отношению к материалу С, то это совсем не гарантирует, что материал С не сможет зарядить материал А отрицательно. Например, так ведёт себя троица стекло-цинк-шёлк, где их «трибоэлектричность» получается как бы зацикленной. Но даже если списать данный парадокс на слишком разную природу этих материалов, то что будет, если взять два куска одинакового материала и потереть их друг о друга? Логика подсказывает, что ни один из них не должен зарядиться, но нет, разделение зарядов происходит и в этом случае, причём «плюс» и «минус» распределяются между кусками строго определённым образом, а не хаотично. Стоит ли говорить, что трибоэлектрические явления зависят ещё и от влажности, давления, чистоты и гладкости поверхности объектов и ещё от тысячи разных условий. А что же теория? Неужели она до сих пор не объяснила это явление?
За более чем сто лет пристального изучения были выдвинуты множество теорий и моделей, описывающих трибоэлектрические эффекты — от простых, «на пальцах», до сложных, основанных на квантово-механическом описании этих процессов. Но до сих пор нет какой-то всеобъемлющей формулы, которая могла бы гарантированно предсказать, что если вы потрёте вот такой материал о такой, то «плюсик» будет вот на этом, а «минусик» на том. Как правило, теоретические модели неплохо справляются с описанием экспериментов, где меняется ограниченное число параметров, но, к примеру, при переходе от одного типа материалов к другому приходится подыскивать новую, более подходящую теорию. Однако это не останавливает исследователей перед тем, чтобы попытаться извлечь из трибоэлектрического эффекта какую-нибудь пользу.
Нет, речь идёт совсем не о том, чтобы погладить кошку, а потом поднести к ней кусочки пенопласта (мы вместе с богами Древнего Египта решительно осуждаем подобные эксперименты), а о том, чтобы попытаться извлечь из бесполезного трения полезное электричество более эффективным способом, чем упорно крутить ручку электрофорной машины из ХIХ века. Так, последнее десятилетие активно развивается направление создания трибонаногенераторов — материалов, способных эффективно преобразовывать механическую энергию в электричество. Принцип их работы, в отличие от названия, весьма прост — две тонкие пластины из разных материалов либо трутся друг о друга, либо соединяются и разъединяются (так тоже вырабатывается трибоэлектричество). А приставка «нано-» в названии указывает на то, что толщина этих пластин соответствует названию генератора.
Основная «настройка» такого наногенератора заключается в выборе материала для соприкасающихся пластин. Чем лучше они будут генерировать электрический заряд, тем больше энергии можно будет получить с единицы площади. Одни исследователи пытаются использовать природные материалы, например, тот же самый шёлк, который, кстати, неплохо себя в этом зарекомендовал. Другие пробуют подобрать какой-нибудь синтетический полимер. Лучше всего себя в трибонаногенераторах показали различные фторопласты — полимерные молекулы, похожие на полиэтилен, в которых часть атомов водорода (а то и все) заменена на фтор. Однако с ними есть проблема — несмотря на свою эффективность, фторопласты (так называемые вечные химикаты) — вещества, которые крайне долго разрушаются, когда попадают в окружающую среду. Точно так же они способны накапливаться в тканях живых организмов, и в этом тоже мало что хорошего. Да и производство их весьма вредное. Поэтому по всему миру их применение стараются ограничить: начиная от составов для тушения пожаров (см. статью «Больше пены», «Наука и жизнь» № 10, 2023 г.) и заканчивая новыми разрабатываемыми материалами и устройствами. Вот и получать «зелёную» энергию лучше максимально безвредным способом.
Недавно группа исследователей из Ханьянского университета (Южная Корея) опубликовала статью, в которой описывается методика получения материала для трибонаногенератора на основе серосодержащего полимера. Почему сера? В настоящее время сера — это отход нефтепереработки, который получается после очистки топлива от серосодержащих молекул. Очистка от серы — требование экологии, чтобы, сгорая в двигателях, она не превратилась в ядовитый диоксид серы. Часть её идёт на получение серной кислоты и затем на производство минеральных удобрений, но что-то просто остаётся лежать под открытым небом, а это не полезно и опасно.
Поэтому уже давно многие умы заняты вопросом: а что бы такого полезного сделать из серы? У серы есть способность полимеризоваться — то есть образовывать длинные цепочки соединённых друг с другом атомов. Это хорошо получается у углерода, но у других элементов выходит не очень — как правило, получается не длинно и не прочно. В этом смысле сера здесь исключение — с помощью специальных технологий из неё можно сделать весьма устойчивый полимер. А если этот полимер использовать в устройствах для получения энергии, то мы убиваем сразу двух зайцев: и отход пускаем в дело, и «зелёную» энергетику развиваем. У исследователей из Ханьянского университета получилось запитать от «трибонаногенераторной» плёнки площадью 81 см2 (круг диаметром 10 см) больше 500 светодиодов и даже одну домашнюю метеостанцию, измеряющую температуру и влажность. Весьма неплохой результат по сравнению с той же солнечной батареей аналогичной площади.
Что ж, с котами и электричеством мы более или менее разобрались, но остаётся последняя часть нашей «головоломки» — почему дороги? Тут тоже не обошлось без нефтепереработки. Дело в том, что асфальт, а точнее асфальтобетон — основное покрытие для автомобильных дорог — это смесь наполнителя и битумного связующего. А битумы — тяжёлые фракции, получающиеся при переработке нефти, когда из неё извлекают более ценные и лёгкие компоненты. По сути, битум — такой же отход от нефтепереработки, как и сера, который невыгодно сжигать или извлекать из него что-то химическое. Но он нашёл применение в качестве кровельных и изолирующих материалов и, конечно же, при производстве асфальта. Отсюда, кстати, вытекает одно любопытное следствие — мы не можем построить (и отремонтировать) больше дорог, чем у нас есть для этого битума, который, в свою очередь, получается при переработке добытой нефти. Когда говорят, что наша цивилизация держится на добыче нефти и газа, это так и есть…
Можно пофантазировать. Если бы мы смогли тот же избыток серы использовать для производства дешёвых и эффективных трибонаногенераторов, то их можно было бы внедрить в конструкцию дорожного полотна и использовать для питания дорожного и уличного освещения там, куда тянуть провода слишком дорого. Или питать с их помощью какие-нибудь датчики, контролирующие состояние дороги. Давление от колёс проезжающего автотранспорта, температурные деформации дорожного покрытия — с миру по нитке, а точнее по джоулю, и набралось бы энергии на что-нибудь полезное. Может быть, материалы будущего позволят нам совмещать в одном и том же объекте сразу несколько функций, а получение и передача энергии перейдут от централизованных, как сейчас, к распределённой сети, где каждый элемент будет генерировать свой маленький, но важный вклад. В конце концов, и в Древнем Египте и в Древнем Риме не могли представить, что те искорки, которые проскакивают между пальцами и кошачьей шерстью, когда-то будут освещать дома, крутить двигатели и питать компьютеры.
0
210.00
