Nyt materiale kunne effektivt drive små generatorer

(PhysOrg.com) -- For at drive en meget lille enhed som en pacemaker eller en transistor, du har brug for en endnu mindre generator. Komponenterne, der driver generatoren, er endnu mindre, og effektiviteten af ​​disse grundlæggende komponenter er afgørende for ydeevnen af ​​den samlede enhed.

For sin ph.d. ved Georgia Institute of Technology, University of Wisconsin-Madison materialevidenskab og ingeniørassistent professor Xudong Wang var en del af et team, der udviklede en piezoelektrisk nanogenerator og eksperimenterede med en række forskellige materialer til at drive den.

Holdet fandt ud af, at zinkoxid nanotråde, som har seks-sidet, søjlelignende krystaller, kunne producere 10 nanowatt per kvadratcentimeter ved at omdanne mekanisk energi til elektricitet. Den mekaniske energi kan komme fra miljøkilder så forskellige som vind, bilmotorer, menneskelig vejrtrækning, blodgennemstrømning, kropsbevægelser, eller akustiske og ultralydsvibrationer.

Mens fremrykningen var spændende, zinkoxidnanotrådene havde en lav effektivitetsgrad, og nu på UW-Madison, Wang tackler denne udfordring ved at forske i et nyt materiale, der kan gøre nanogeneratoren mere effektiv og kraftfuld. En optimeret nanogenerator kan drive små enheder med en bred vifte af applikationer, såsom LED'er, MEMS, transistorer og biomedicinsk udstyr såsom pacemakere, robotter, sensorer eller sensordioder.

Wang udvikler ferroelektriske materialer, der kan producere nanotråde med 10 gange det elektriske potentiale af de originale zinkoxider. Stigningen opstår, fordi krystallen af ​​et ferroelektrisk materiale er lavet af rumligt ubalancerede atomer, der producerer automatiske, permanent polarisering i materialet. Når Wang introducerer belastning inde i denne ubalancerede krystal, polariseringen forstærkes, skabe en betydelig mængde elektrisk potentiale.

Meget lidt mekanisk energi ville være nødvendig for at drive den nye nanogenerator, fordi selv en lille mængde forskydning har en større effekt på nanoskala materialer end almindelige materialer - en teori Wang har til hensigt at bevise i sit laboratorium.

En udfordring er at fremstille de ferroelektriske nanotråde, hvilket er en mere kompliceret proces end at fremstille zinkoxid nanotråde. For at dyrke de ferroelektriske nanotråde, Wang bruger en smeltet saltproces. Smeltet natriumchlorid fungerer som reaktionsmediet til at hjælpe nanotrådene med at samle sig selv fra prækursorer ved omkring 1, 500 grader Fahrenheit. Hver nanotråd er 10, 000 gange mindre end et enkelt menneskehår.

"Vi er i øjeblikket ved at undersøge, hvor meget potentiale der kan genereres af sådanne nanotråde, når de afbøjes ved hjælp af atomkraftmikroskopi, " siger Wang.

Wangs ultimative mål er at lave en rigtig nanogenerator, der er i stand til at drive en række små enheder. Da generatoren ville kræve en så lille mængde strøm fra kilder, der konstant leverer energi, det kunne i det væsentlige tjene som et evigt batteri.

Leveret af University of Wisconsin-Madison (nyheder:web)