В новом физтехе ИТМО создали шахматы, которые светятся во время игры

Шахматная доска и светящиеся фигуры — не развлечение, а возможность наглядно показать результаты исследований нового физтеха ИТМО. Фигуры получают энергию для свечения беспроводным способом, задействована фотолюминесценция перовскитных квантовых точек.

В шахматной доске расположена специально разработанная метаповерхность, которая создает равномерно распределенное магнитное поле и подавляет при этом электрическое. Именно это позволяет передать энергию от поверхности к 32 приемникам — шахматным фигурам — абсолютно безопасно для человека. В каждой фигурке спрятан радиочастотный приемник, и к нему подключен светодиод. Фигурки изготовлены из материала с наночастицами перовскита, поэтому они начинают светиться, как только касаются доски.

Первый прототип шахмат останется на новом физтехе, но ученые не исключают возможность серийного производства такой неординарной сувенирной продукции. Такие красочные визуализации результатов исследований могут привлечь внимание к фундаментальной науке.

В разработке приняли участие сотрудники нового физтеха: Сергей Макаров, Лев Зеленков, Эдуард Даниловский, Полина Капитанова, Павел Смирнов, Георгий Баранов. Большой вклад в проект внесли студенты-первокурсники нового физтеха Айдар Рахматуллин и Татьяна Филимонова.

---

— Какую технологию вы хотели продемонстрировать?

Полина Капитанова, профессор нового физтеха Университета ИТМО:

— В наших шахматах мы работаем на стыке сразу двух технологий, объединяя беспроводную передачу энергии и фотолюминесценцию перовскитных квантовых точек. Мы хотели показать, что современные технологии и особенно их сочетание могут привести к удивительным результатам, которые разнообразят нашу обычную жизнь. С точки зрения технологии беспроводной передачи нам впервые удалось добиться того, чтобы энергия от одного источника передавалась на 32 приемника одновременно, причем с одинаковой эффективностью.

Сергей Макаров, профессор нового физтеха Университета ИТМО:

— При этом мы преследовали цель использования новых перспективных наноматериалов — нанокристаллов из галогенидных перовскитов, которые являются одной из самых многообещающих платформ для создания оптоэлектронных устройств нового поколения: от дисплеев до солнечных батарей.

— Почему вы выбрали именно форму шахмат, чтобы продемонстрировать технологию?

Эдуард Даниловский, ведущий инженер нового физтеха Университета ИТМО:

— Форма шахмат показалась нам интересной модельной задачей, позволяющей, с одной стороны, продемонстрировать возможность одновременной передачи энергии 32 потребителям и смоделировать изменение количества потребителей в ходе игры, а с другой — показать перспективы новых перовскитных наноматериалов в качестве люминофоров. Перовскитные наноматериалы могут найти применение при решении широкого круга задач: от визуализаторов рентгеновского излучения до современных дисплеев высокого разрешения и высокоэффективных солнечных батарей, но для этого необходимо привлечь к ним внимание индустрии и общественности. Создание шахмат показалось нам достаточно интересным и заметным шагом для достижения этой цели. Кроме того, один из создателей шахмат, Сергей Макаров, страстный поклонник этой игры, к чему приобщает всех участников проекта.

— На чем основана беспроводная передача энергии к шахматным фигурам?

Павел Смирнов, сотрудник нового физтеха Университета ИТМО:

— Для беспроводной передачи энергии мы используем магнитно-резонансный метод. В шахматную доску встроен передатчик, представляющий собой метаповерхность, которая создает равномерное распределение магнитного поля на всем игровом поле. При этом передатчик за счет своей уникальной конструкции является намного более безопасным по сравнению с планарными катушками индуктивности, которые зачастую используются для беспроводной передачи энергии, поскольку генерирует меньше электрического поля вокруг себя. В каждую фигурку встроен приемник, который преобразует энергию ближнего магнитного поля в постоянный ток, зажигающий светодиод. За счет этого нам и удается добиться свечения всех фигурок на доске.

— Почему именно такой материал шахмат?

Лев Зеленков, научный сотрудник нового физтеха Университета ИТМО:

— Возможны и другие варианты исполнения, которые обязательно будут воплощены в следующих версиях, однако сейчас все подобрано достаточно хорошо и при этом не слишком затратно: используемый люминофор — наноразмерный неорганический свинцовый перовскит — обладает одними из лучших фотолюминесцентных свойств и фотостабильностью одновременно (чего нередко лишены органические люминофоры), он не выгорает со временем и не деградирует. Неустойчивость перовскита во влажном воздухе устраняет оптически прозрачная полиэфирная смола, которая исключает его контакт с воздухом. Кроме того, полиэфирная смола дополнительно предотвращает контакт человека с потенциально вредными ионами свинца. Концентрация ионов свинца очень и очень мала, более того каждый нанокристалл, содержащий свинец, окружен защитными органическими лигандами-стабилизаторами, таким образом, совокупность всех этих факторов делает используемый материал безопасным для применения. Подытоживая, можно сказать, что использование указанных материалов позволяет удовлетворить все предъявляемые требования к материалам: безопасность, яркость свечения, стабильность.

— Какой материал у доски? Имеет ли это принципиальное значение?

Павел Смирнов:

— В текущей версии мы используем обычную деревянную шахматную доску, которую можно купить в любом специализированном магазине. Это показалось самым быстрым и простым решением. Тем не менее принципиального значения материал доски не имеет. Подойдет любой немагнитный диэлектрик, чтобы он не искажал магнитное поле, за счет которого и происходит передача энергии, к примеру стекло, оргстекло, пластик и прочие материалы.

— Такой механизм возможен только с фигурами из материала с наночастицами перовскита или магнитное поле может передавать электричество и другим материалам?

Полина Капитанова:

— Тут скорее нельзя говорить, что мы передаем энергию материалу. Мы передаем энергию от передатчика к приемнику. В каждой шахматной фигурке встроен приемник, который нагружен на светодиод. Светодиод нужен для подсвечивания перовскитных квантовых точек, которые встроены в материал фигурок и начинают люминесцировать, как только светодиод загорается. Магнитное поле широко применяется в технологиях беспроводной передачи энергии, так как в отличие от электрического поля является безопасным для биологических тканей. В данном прототипе мы использовали метод резонансной беспроводной передачи энергии с помощью ближнего магнитного поля для запитки сразу многих приемников от одного передатчика. Обычно такие системы организуются для зарядки одного приемника, но мы показали, что возможно реализовать передачу энергии сразу к 32 приемникам. Думаю, что в будущем мы попробуем организовать подобные системы и для большего числа приемников с большей потребляемой мощностью, главное, чтобы эффективность была высокой и всем потребителям хватило энергии. О безопасности человека тоже не стоит забывать.

Эдуард Даниловский:

— Перовскитные наноматериалы в данном случае — это просто люминофор, возбуждаемый светодиодом, зажигаемым беспроводным способом. Обладая высоким квантовым выходом (эффективностью), такой люминофор позволяет как сохранить «полупрозрачность» фигурки, так и достичь визуального эффекта свечения фигурки. Возможно, конечно, обойтись при решении этой задачи вовсе без наноматериалов, но тогда и визуальный эффект был бы совершенно другим.

— Насколько далеко можно передавать электричество таким способом?

Полина Капитанова:

— Тут все очень сильно связано между собой. Размер передатчика и приемника и их добротность, а также величина их взаимной связи друг с другом являются основными факторами, которые вносят свой вклад в эффективность передачи энергии и дальность передачи энергии. Если стоит задача передать энергию на расстояния около метра, что реализуемо посредством резонансного метода, то и размеры передатчика и приемника должны быть сравнимы, их добротность должна быть максимальной. Перед нами не стояло задачи передавать энергию далеко. В нашей шахматной доске размер передатчика примерно 40х40 см, размер фигурок значительно меньше. Именно поэтому в нашем случае есть физические ограничения на дальность передачи энергии. Когда фигурки стоят на доске, то все светятся с одинаковой интенсивностью. Мы заметили, что они светятся совсем тускло при удалении их от доски на 20–30 см вверх. Стоит отметить, что при необходимости достижения именно далекого расстояния, на которое энергия все еще будет передаваться с высокой эффективностью, мы можем предложить немного другие принципы реализации передатчика и приемника и достигнуть поставленной цели.

— Можно ли «зажигать» таким образом много объектов — целый дом или квартал?

Эдуард Даниловский:

— Теоретически количество объектов и величина нагрузки не несут в себе какого-либо фундаментального ограничения. Вопрос скорее именно в эффективности передачи и экономического обоснования использования именно беспроводного механизма передачи. Все зависит от конкретной задачи. К примеру, заряжать мобильное устройство, которое вы постоянно носите с собой, просто положив его на стол,— это удобно, избавляет от необходимости носить с собой зарядку и позволяет разработчикам устройств делать более герметичные корпусы. Вместе с этим подогревать, например, электрический чайник, который располагается в конкретном месте кухни, беспроводным способом может оказаться просто нецелесообразно.

Сергей Макаров:

— С другой стороны, использование таких энергоэффективных материалов, как галогенидные перовскиты, позволяет уменьшить потери энергии на нагрев устройств или объектов, к которым будет подводиться энергия. Поэтому в будущем количество запитываемых устройств будет только расти.

— Будет ли зависеть размер передатчика и приемников от дальности передачи энергии или количества включаемых точек?

Полина Капитанова:

— Размер передатчика и приемника вносят основной вклад в дальность и эффективность передачи энергии. В основном это диктуется тем применением, в котором нужно использовать беспроводной метод передачи энергии. Количество квантовых точек напрямую влияет на яркость свечения той или иной фигурки.

— Где эта технология может быть использована в дальнейшем?

Сергей Макаров:

— На следующем шаге возможна не только передача энергии между шахматными клетками и фигурами, но и адресная передача информации. Таким образом может быть реализована умная беспроводная подсветка, что будет полезно не только для игры в шахматы, шашки, нарды или го, но и может найти применение в других аспектах нашей повседневной жизни. К примеру, беспроводной подсветке экранов или зарядке различных гаджетов, отдельных поверхностей, ветрин магазинов, вывесок, электронных баннеров, системах беспроводной радиочастотной идентификации и прочее.