Polymerkraft:Triboelektrisk generator producerer elektricitet ved at udnytte friktion mellem overflader

Forskere har opdaget endnu en måde at høste små mængder elektricitet fra bevægelse i verden omkring os - denne gang ved at fange den elektriske ladning, der produceres, når to forskellige slags plastmaterialer gnider mod hinanden. Baseret på fleksible polymermaterialer, denne "triboelektriske" generator kunne levere vekselstrøm (AC) fra aktiviteter som at gå.

Den triboelektriske generator kunne supplere strøm produceret af nanogeneratorer, der bruger den piezoelektriske effekt til at skabe strøm fra bøjningen af ​​zinkoxid-nanotråde. Og fordi disse triboelektriske generatorer kan gøres næsten gennemsigtige, de kunne tilbyde en ny måde at producere aktive sensorer på, der kan erstatte teknologi, der nu bruges til berøringsfølsomme enhedsskærme.

"Det faktum, at en elektrisk ladning kan produceres gennem dette princip er velkendt, " sagde Zhong Lin Wang, en Regents-professor ved School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Det, vi har introduceret, er en gap-separationsteknik, der producerer et spændingsfald, som fører til en strøm, så ladningen kan bruges. Denne generator kan konvertere tilfældig mekanisk energi fra vores miljø til elektrisk energi."

Forskningen blev finansieret af National Science Foundation, Department of Energy og US Air Force. Detaljer blev rapporteret i juni-udgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver . Ud over Wang, forfatterne af papiret inkluderede Feng-Ru Fan, Lang Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu og Rui Zhang fra Georgia Tech. Fan er også tilknyttet State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces på Xiamen University i Kina.

Den triboelektriske generator fungerer, når et ark polyester gnider mod et ark lavet af polydimethylsiloxan (PDMS). Polyesteren har en tendens til at donere elektroner, mens PDMS accepterer elektroner. Umiddelbart efter at polymeroverfladerne gnider sammen, de er mekanisk adskilte, skabe et luftgab, der isolerer ladningen på PDMS overfladen og danner et dipolmoment.

Hvis en elektrisk belastning derefter er forbundet mellem de to overflader, en lille strøm vil flyde for at udligne ladningspotentialet. Ved løbende at gnide overfladerne sammen og derefter hurtigt adskille dem, generatoren kan give en lille vekselstrøm. En ekstern deformation bruges til at presse overfladerne sammen og skubbe dem for at skabe gnidningsbevægelsen.

"For at dette skal virke, du skal bruge to forskellige slags materialer for at skabe de forskellige elektroder, " Wang forklarede. "Hvis du gnider overflader lavet af det samme materiale sammen, du får ikke ladeforskellen."

Teknikken kunne også bruges til at skabe en meget følsom selvdrevet aktiv tryksensor til potentiel brug med organiske elektroniske eller opto-elektroniske systemer. Kraften fra en fjer eller vanddråbe, der berører overfladen af ​​den triboelektriske generator, producerer en lille strøm, der kan detekteres for at indikere kontakten. Sensorerne kan registrere tryk helt ned til omkring 13 millipascal.

Fordi enhederne kan gøres cirka 75 procent gennemsigtige, de kunne potentielt bruges i touchskærme til at erstatte eksisterende sensorer. "Transparente generatorer kan fremstilles på stort set enhver overflade, " sagde Wang. "Denne teknik kunne bruges til at skabe meget følsomme gennemsigtige sensorer, der ikke ville kræve strøm fra en enheds batteri."

Mens glatte overflader, der gnider sammen, genererer ladning, Wang og hans forskerhold har øget den nuværende produktion ved at bruge mikromønstrede overflader. De undersøgte tre forskellige typer overflademønstre – linjer, terninger og pyramider – og fandt ud af, at placering af pyramideformer på en af ​​gnideoverfladerne genererede mest elektrisk strøm:hele 18 volt ved omkring 0,13 mikroampere pr. kvadratcentimeter.

Wang sagde, at mønstret forbedrede genereringskapaciteten ved at øge mængden af ​​dannet ladning, forbedring af kapacitansændringen på grund af de lufthuller, der dannes mellem mønstrene, og ved at lette ladningsadskillelse.

For at fremstille de triboelektriske generatorer, forskerne begyndte med at lave en form af en siliciumwafer, hvorpå de friktionsforstærkende mønstre dannes ved hjælp af traditionel fotolitografi og enten en tør eller våd ætsningsproces. Formene, hvor mønstrenes træk er dannet i fordybning, blev derefter behandlet med et kemikalie for at forhindre PDMS i at klæbe.

Den flydende PDMS-elastomer og tværbinderen blev derefter blandet og spin-coated på formen, og efter termisk hærdning, pillet af som en tynd film. PDMS-filmen med mønster blev derefter fikseret på en elektrodeoverflade lavet af indiumtinoxid (ITO) belagt med polyethylenterephthalat (PET) med et tyndt PDMS-bindingslag. Hele strukturen blev derefter dækket med en anden ITO-belagt PET-film for at danne en sandwichstruktur.

"Hele forberedelsesprocessen er enkel og billig, gør det muligt at blive opskaleret til storskalaproduktion og praktiske anvendelser, " sagde Wang.

Generatorerne er robuste, continuing to produce current even after days of use – and more than 100, 000 cycles of operation, sagde Wang. The next step in the research will be to create systems that include storage mechanisms for the current generated.

"Friction is everywhere, so this principle could be used in a lot of applications, " Wang added. "We are combining our earlier nanogenerator and this new triboelectric generator for complementary purposes. The triboelectric generator won't replace the zinc oxide nanogenerator, but it has its own unique advantages that will allow us to use them in parallel."