Power Walk på denne måde:Forskere udvikler enheder, der udnytter energi fra hverdagens bevægelser

(PhysOrg.com) -- Disse støvler er lavet til at gå... og til at tænde for din mobiltelefon? Det kunne ske, siger et hold af Princeton- og Caltech-forskere. I en nylig artikel i bladet Nano bogstaver , de rapporterer, at de har udviklet en innovativ gummichip, der har evnen til at høste energi fra bevægelser som at gå, løb, og trække vejret og omdanne det til en strømkilde.

Score en for kroppen elektrisk.

"Det åbner op for mange muligheder, " siger Caltech kandidatstuderende Habib Ahmad, en medforfatter på papiret. "Vi spreder alle energi, når vi bevæger vores kroppe rundt, og det kunne tænkes, at energi kunne bruges til at oplade små elektroniske enheder som en iPod eller en mobiltelefon."

Nøglen til denne udvikling er en klasse af materialer kendt som piezoelektrik, som er stoffer - hovedsagelig krystallinske og keramiske - der reagerer på stress eller belastning ved at producere en ladning, hovedsageligt konvertere mekanisk energi til elektrisk energi. ("Piezo" stammer fra et græsk ord, betyder at klemme eller udøve pres.)

"Piezoelektrik har eksisteret i et stykke tid, " siger Ahmad. "Den mest kendte og mest brugte naturlige er kvarts." Keramiske, mange af dem menneskeskabte, producerer ofte mere spænding ved stress, men at holde dette spændingsniveau højt kræver generelt, at de dyrkes på en hård overflade, eller substrat. Det begrænser, hvor fleksibelt de kan reagere på det pres, der genereres af, sige, en svingarm eller en trædende fod.

Ahmad arbejder i øjeblikket på sin ph.d. i laboratoriet hos Caltechs Gilloon-professor og professor i kemi James Heath, hvor han udvikler mikro- og nanoenheder - ultrasmå instrumenter - der kan hjælpe med at opdage og diagnosticere visse typer kræft. Han blev involveret i en forløber for den piezoelektriske forskning for et par år siden, da han samarbejdede med Heath postdoc Michael McAlpine om at teste en ny teknik, som McAlpine havde fundet på til at overføre siliciumnanotråde fra et ufleksibelt substrat til et plastik.

"Dybest set ønskede Mike at vide, om disse ledninger stadig ville generere højspænding på en fleksibel overflade, " siger Ahmad "At bygge elektroniske kredsløb og sensorer på fleksibel plast er et ret nyt område, men det er en, der har skabt stor interesse. Så jeg byggede et kammer, der gjorde det muligt for Mike at kontrollere, hvilke gasser der blev udsat for chippen og i hvilke koncentrationer, så vi kunne detektere dem med nanoskala sensorer, og jeg satte al måleelektronik op og skrev dataindsamlingssoftware."

I sommeren 2008 McAlpine blev adjunkt ved Princeton, hvor han udvidede de teknikker, han havde udviklet hos Caltech, til piezoelektriske materialer. Hans hold blev det første til at fremstille minutstrimler, eller nanobånd, af en særlig kraftig keramisk piezoelektrisk, bly zirconat titanat (PZT), og overføre dem med succes til et silikonegummisubstrat.

"Mike bad mig hjælpe med at teste materialet på en hård wafer for at etablere en basisspænding, " siger Ahmad. Han designede og producerede de tekniske tegninger til de kamre, der blev brugt til at teste PZT-ledningerne, testet dataindsamlingskredsløbet, og arbejdede på figurerne til papiret. Når disse tests var afsluttet, og ledningerne blev overført til den fleksible overflade, "Mikes team målte spændingen igen og fandt stort set ingen forringelse af spændingsniveauerne."

"Hvad gjorde dette seneste resultat særligt spændende, " siger Ahmad, "er, at et piezoelektrisk materiale, der sidder på et gummiunderlag, er formbart nok til at blive båret med relativ komfort i din sko eller som et svedbånd omkring din arm." Og fordi PZT genererer energi næsten 100 gange mere effektivt end kvarts, "det har kapaciteten til at udnytte kroppens naturlige bevægelser i løbet af dagen."

Ud over den tiltalende udsigt til at danse rundt i huset for at tænde for din iPod, der er mere seriøse ansøgninger i horisonten. "Militæret har vist stor interesse for at bruge piezoelektrik til at udnytte energi, siger Ahmad, og har faktisk allerede eksperimenteret med piezoelektriske skoimplantater, der desværre viste sig at være for ubehagelige for soldater at have på i længere tid. Gummi-PZT-spåner kan meget vel løse komfortproblemet, men forskerne understreger, at der er mere arbejde, der skal gøres, før deres opfindelse kan tages i brug i stor skala i de væbnede styrker eller andre steder.

"I øjeblikket, vi har stort set en en-centimeter chip med omkring 1, 000 ledninger pakket sammen, " siger Ahmad. "Det er en meget effektiv udnyttelse af pladsen, men den energi, der produceres, er stadig relativt minimal. Men der er ingen grund, teknisk set, hvorfor dette ikke kan skaleres op til et overfladeareal i størrelsesordenen 2 gange 2 tommer, ” på hvilket tidspunkt du kan begynde at se på applikationer fra den virkelige verden.

Selvom piezoelektriske materialer ikke er Ahmads primære felt, han har nydt den opmærksomhed, som forskningens bioniske overtoner har genereret (dette er det femte papir, han er medforfatter til, og hans tredje med McAlpine). I øvrigt, som videnskabsmand beskæftiget med at anvende nanoteknologi til biomedicin, han er især interesseret i værkets potentiale dér. "Da disse chips er indkapslet i silikone, som er almindeligt anerkendt som ugiftig for mennesker, der er mulighed for en dag at implantere disse enheder inde i kroppen."

En mulighed, siger forskerne, er, at lungebevægelsen genereret ved vejrtrækning potentielt kan "høstes til opladning af et pacemakerbatteri, dermed øge den tid, der kræves mellem batteriudskiftningsoperationer for patienter."

"Lige nu, vi arbejder stadig på den grundlæggende teknologi, ” siger Ahmad. "Men udsigterne på længere sigt er meget spændende."