Forskere bruger forbedrede nanogeneratorer til at drive sensorer baseret på nanotråde af zinkoxid

Ved at kombinere en ny generation af piezoelektriske nanogeneratorer med to typer nanotrådssensorer, forskere har skabt det, der menes at være de første selvdrevne nanometer-måleapparater, der trækker strøm fra omdannelsen af ​​mekanisk energi. De nye enheder kan måle væskernes pH -værdi eller registrere tilstedeværelsen af ​​ultraviolet lys ved hjælp af elektrisk strøm produceret af mekanisk energi i miljøet.

Baseret på arrays, der indeholder op til 20, 000 nanotråde af zinkoxid i hver nanogenerator, enhederne kan producere op til 1,2 volt udgangsspænding, og er fremstillet med en kemisk proces designet til at lette billig fremstilling på fleksible underlag. Test udført med næsten tusind nanogeneratorer - som ikke har mekaniske bevægelige dele - viste, at de kan betjenes over tid uden tab af produktionskapacitet.

Detaljer om den forbedrede nanogenerator og selvdrevne nanosensorer skulle efter planen rapporteres 28. marts i tidsskriftet Naturnanoteknologi . Forskningen blev støttet af National Science Foundation, Defense Advanced Research Projects Agency, og det amerikanske energiministerium.

"Vi har demonstreret en robust måde at høste energi på og bruge den til at drive sensorer i nanometer-skala, "sagde Zhong Lin Wang, en professor i Regents på School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Vi har nu en teknologisk køreplan til at skalere disse nanogeneratorer op til virkelig praktiske applikationer."

I de sidste fem år har Wangs forskergruppe har udviklet nanoskala generatorer, der bruger den piezoelektriske effekt - som producerer elektriske ladninger, når ledninger fremstillet af zinkoxid udsættes for belastning. Stammen kan produceres ved blot at bøje ledningerne, og strøm fra mange ledninger kan konstruktivt kombineres til at drive små enheder. Forskningsindsatsen har for nylig fokuseret på at øge mængden af ​​strøm og spænding, der genereres, og på at gøre enhederne mere robuste.

I avisen, Wang og samarbejdspartnere rapporterer om en ny konfiguration til nanotråde, der indlejrer begge ender af de små strukturer i et polymersubstrat. Ledningerne kan derefter generere strøm, når de komprimeres i en fleksibel nanogenerator kabinet, eliminerer kontakten med en metallisk elektrode, der var påkrævet i tidligere enheder. Fordi generatorerne er helt lukkede, de kan bruges i forskellige miljøer.

"Vi kan nu dyrke trådene kemisk på substrater, der er foldbare og fleksible, og behandlingen kan nu udføres ved substrattemperaturer på mindre end 100 grader Celsius - cirka temperaturen på kaffe, "forklarede Wang." Det vil muliggøre fremstilling og vækst i lavere omkostninger på næsten ethvert underlag. "

Nanogeneratorerne fremstilles ved hjælp af en flertrinsproces, der omfatter fremstilling af elektroder, der giver både Ohmic og Shottky kontakter til nanotrådene. Arrays kan dyrkes både lodret og lateralt. For at maksimere strøm og spænding, væksten og samlingen kræver justering af krystallinsk vækst, samt synkronisering af opladnings- og afladningscyklusser.

Produktionen af ​​lodrette nanogeneratorer begynder med at dyrke zanoxid-nanotråde på en guldbelagt overflade ved hjælp af en våd kemisk metode. Et lag polymethyl-methacrylat centrifugeres derefter på nanotråde, dækker dem fra top til bund. Ætsning af plasma -ætsning udføres derefter, efterlader rene spidser, hvorpå et stykke siliciumskive belagt med platin er placeret. Det belagte silicium giver en Shottky -barriere, hvilket er vigtigt for at opretholde elektrisk strøm.

Nanogeneratorernes vekselstrømseffekt afhænger af mængden af ​​belastning. "Ved en belastningshastighed på mindre end to procent i sekundet, vi kan producere udgangsspænding på 1,2 volt, "sagde Wang." Effekten matches med den eksterne belastning. "

Laterale nanogeneratorer, der integrerede 700 rækker zinkoxid -nanotråde, producerede en spids på 1,26 volt ved en stamme på 0,19 procent. I en separat nanogenerator, lodret integration af tre lag zinkoxid -nanotrådarrays producerede en maksimal effektdensitet på 2,7 milliwatt pr. kubikcentimeter.

Wangs team har hidtil produceret to små sensorer, der er baseret på nanotråde af zinkoxid og drives af nanogeneratorer. Ved at måle spændingsændringernes amplitude på tværs af enheden, når den udsættes for forskellige væsker, pH -sensoren kan måle surhedsgraden af ​​væsker. En ultraviolet nanosensor afhænger af lignende spændingsændringer for at opdage, når den rammes af ultraviolet lys.

Ud over Wang, holdet, der forfattede papiret, omfattede Sheng Xu, Yong Qin, Chen Xu, Yaguang Wei, og Rusen Wang, alle fra Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering.

Den nye generator og nanoskala sensorer åbner nye muligheder for meget små sanseenheder, der kan fungere uden batterier, drevet af mekanisk energi høstet fra miljøet. Energikilder kan omfatte bevægelse af tidevand, lydbølger, mekanisk vibration, flagring af et flag i vinden, pres fra en vandrers sko eller bevægelse af tøj.

"Det er ikke tilstrækkeligt at bygge små enheder, "Bemærkede Wang." Vi skal også være i stand til at drive dem på en bæredygtig måde, der gør det muligt for dem at være mobile. Ved hjælp af vores nye nanogenerator, vi kan sætte disse enheder i miljøet, hvor de kan arbejde uafhængigt og bæredygtigt uden at kræve et batteri. "