Pesquisadores da National Research Nuclear University MEPhI (Rússia) estão desenvolvendo baterias de radioisótopos beta-voltaicas com filmes de radioisótopos de nano-cluster de níquel-63. O conceito é desenvolver baterias nucleares seguras com vida útil de 100 anos para marcapassos, sensores de glicose em miniatura, sistemas de monitoramento de pressão arterial, e para controlar objetos remotos e micro-robôs, e sistemas autônomos que podem operar por um longo tempo. Os resultados da pesquisa são publicados na revista Cartas de Física Aplicada .

Os pesquisadores estão mais interessados ​​do que nunca em projetos para desenvolver nanotecnologia para miniaturizar dispositivos tecnológicos, principalmente sistemas nanoeletrônicos. As últimas conquistas na criação de sistemas microeletromecânicos e nanoeletromecânicos que combinam elementos nanoeletrônicos e mecânicos podem tornar possível o desenvolvimento físico microscópico, sensores biológicos ou químicos. Contudo, a falta de baterias em miniatura para alimentar sistemas microeletromecânicos e nanoeletromecânicos dificulta a introdução em larga escala de tais dispositivos.

Hoje, os cientistas estão estudando a possibilidade de criar baterias de íon de lítio em miniatura, painéis solares, células de combustível e vários tipos de condensadores. Contudo, essas baterias ainda são muito grandes para o desenvolvimento de sistemas verdadeiramente microscópicos e nanométricos.

Outra abordagem para alimentar sistemas microeletromecânicos e nanoeletromecânicos avançados é o uso de baterias de radioisótopos. radioisótopos ou baterias nucleares ou atômicas convertem a energia da decadência radioativa de elementos metaestáveis ​​(núcleos atômicos) em eletricidade. Esses elementos têm altos níveis de densidade de energia para sua massa e volume. A duração da emissão de energia sustentada varia, dependendo da escolha de nuclídeos. Baterias de isótopos de rádio silenciosos podem operar sem erros ou manutenção por um longo tempo.

Propriedades Únicas do Níquel-63

A conversão termoelétrica é vista como um dos métodos mais convenientes para converter a energia do decaimento radioativo em eletricidade. Mas os cientistas também estão estudando baterias beta-voltaicas e suas aplicações práticas. Ao instalar um isótopo de rádio que emite radiação beta suave em uma bateria em miniatura, é possível proteger os usuários e objetos próximos da radiação. Portanto, tais baterias teriam aplicações abrangentes.

Os pesquisadores do MEPhI estudaram as propriedades eletrofísicas do filme de níquel do nano-cluster e selecionaram os parâmetros ideais de um experimento com o objetivo de criar um sistema para converter efetivamente a energia do decaimento beta do isótopo de níquel-63 em eletricidade. O isótopo de níquel-63 está entre os radionuclídeos mais promissores em processos beta-voltaicos. Este emissor de radiação beta suave tem meia-vida longa de 100,1 anos. Consequentemente, este elemento exclusivo é ideal para alimentar vários sistemas que não requerem alto rendimento.

Elástico, resiliente, O níquel relativamente inerte e fácil de usinar é um metal eficaz em termos de propriedades. Não precisa ser armazenado e transportado dentro de contêineres. Os pesquisadores estão tentando aumentar a eficiência dos sistemas atuais que convertem a energia do decaimento beta do elemento níquel-63 em eletricidade e encontrar sistemas físicos alternativos. Essa abordagem é muito promissora.

Pesquisadores do MEPhI estão usando novas abordagens

Os pesquisadores desenvolveram um sistema físico incomum para gerar elétrons secundários dentro de filmes de níquel nanoestruturados e para aumentar consideravelmente o sinal de corrente causado por uma cascata de numerosas colisões não elásticas de partículas beta, disse Pyotr Borisyuk, professor assistente na Faculdade de Problemas de Metrologia Físico-Técnica do MEPhI.

"É relativamente fácil fazer um sistema experimental que consiste em uma matriz de nanoaglomerados de níquel densamente compactados com a distribuição gradiente de nanopartículas na superfície do óxido de silício, um dielétrico de banda larga, dependendo de seu tamanho, " ele notou.

Os pesquisadores relatam que a formação de filmes de nano cluster de níquel-63 com a distribuição gradiente de nanopartículas combina dois processos importantes. Primeiro, torna-se possível desenvolver revestimentos com uma diferença de potencial fixa determinada por diferentes tamanhos de nanopartículas em uma direção predefinida. Segundo, ele irá converter a energia do decaimento beta do isótopo de níquel-63 em uma corrente elétrica sem usar sistemas semicondutores de difícil produção.

As propriedades únicas dos filmes de níquel de nano cluster de gradiente emergente. fontes de energia de radioisótopos com conversão termoelétrica têm aplicações quase ilimitadas. Tiny nuclear batteries could be used for micro-electromechanical and nano-electromechanical systems, pacemakers, miniature glucose sensors and arterial blood pressure monitoring systems, and for controlling remote objects and micro-robots, as well as self-contained systems that can operate for a long time in deep space, beneath the sea and in the extreme north.