Nanogeneratorer vokser sig stærke nok til at drive lille konventionel elektronik (med video)

Blinkende tal på et flydende krystaldisplay (LCD) indikerer ofte, at en enheds ur skal nulstilles. Men i laboratoriet hos Zhong Lin Wang ved Georgia Tech, det blinkende tal på en lille LCD signalerer succesen med en fem-årig indsats for at drive konventionelle elektroniske enheder med nanoskala-generatorer, der høster mekanisk energi fra miljøet ved hjælp af en række små nanotråde.

I dette tilfælde, den mekaniske energi kommer fra at komprimere en nanogenerator mellem to fingre, men det kan også komme fra et hjerteslag, hamrenden af ​​en vandrers sko på en sti, raslen fra en skjorte, eller vibrationer fra en tung maskine. Selvom disse nanogeneratorer aldrig vil producere store mængder elektricitet til konventionelle formål, de kunne bruges til at drive nanoskala- og mikroskala-enheder – og endda til at genoplade pacemakere eller iPods.

Wangs nanogeneratorer er afhængige af den piezoelektriske effekt, der ses i krystallinske materialer såsom zinkoxid, hvor et elektrisk ladningspotentiale skabes, når strukturer lavet af materialet bøjes eller komprimeres. Ved at fange og kombinere ladningerne fra millioner af disse nanoskala zinkoxidtråde, Wang og hans forskerhold kan producere så meget som tre volt - og op til 300 nanoampere.

"Ved at forenkle vores design, gør den mere robust og integrerer bidragene fra mange flere nanotråde, vi har med succes øget outputtet af vores nanogenerator nok til at drive enheder såsom kommercielle flydende krystalskærme, lysemitterende dioder og laserdioder, " sagde Wang, en Regents' professor ved Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Hvis vi kan opretholde denne forbedringshastighed, vi vil nå nogle sande anvendelser inden for sundhedsudstyr, personlig elektronik, eller miljøovervågning."

Nylige forbedringer i nanogeneratorerne, herunder en enklere fremstillingsteknik, blev rapporteret online i sidste uge i bladet Nano bogstaver . Tidligere artikler i samme tidsskrift og i Nature Communications rapporterede om andre fremskridt for arbejdet, som er blevet støttet af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), det amerikanske energiministerium, det amerikanske luftvåben, og National Science Foundation.

"Vi er interesserede i meget små enheder, der kan bruges i applikationer som sundhedspleje, miljøovervågning og personlig elektronik, " sagde Wang. "Hvordan man driver disse enheder er et kritisk spørgsmål."

De tidligste zinkoxid-nanogeneratorer brugte arrays af nanotråde dyrket på et stift substrat og toppet med en metalelektrode. Senere versioner indlejrede begge ender af nanotrådene i polymer og producerede strøm ved simpel bøjning. Uanset konfigurationen, enhederne krævede omhyggelig vækst af nanowire-arrays og omhyggelig montering.

I den seneste avis, Wang og hans gruppemedlemmer Youfan Hu, Yan Zhang, Chen Xu, Guang Zhu og Zetang Li rapporterede om meget enklere fremstillingsteknikker. Først, de dyrkede arrays af en ny type nanotråd, der har en konisk form. Disse tråde blev skåret fra deres vækstsubstrat og anbragt i en alkoholopløsning.

Opløsningen indeholdende nanotrådene blev derefter dryppet på en tynd metalelektrode og et ark af fleksibel polymerfilm. Efter at alkoholen fik lov at tørre, endnu et lag blev oprettet. Flere nanotråd/polymerlag blev bygget op til en slags komposit, ved hjælp af en proces, som Wang mener kunne skaleres op til industriel produktion.

Når den bøjes, disse nanotrådssandwich – som er omkring to centimeter gange 1,5 centimeter – genererede nok strøm til at drive en kommerciel skærm lånt fra en lommeregner.

Wang siger, at nanogeneratorerne nu er tæt på at producere nok strøm til et selvdrevet system, der kan overvåge miljøet for en giftig gas, for eksempel, derefter udsende en advarsel. Systemet vil omfatte kondensatorer, der er i stand til at gemme de små opladninger, indtil der var nok strøm til rådighed til at sende en burst af data.

Selvom selv den nuværende nanogenerator-output forbliver under det niveau, der kræves for enheder som iPods eller pacemakere, Wang mener, at disse niveauer vil blive nået inden for tre til fem år. Den nuværende nanogenerator, han bemærker, er næsten 100 gange stærkere end hvad hans gruppe havde udviklet for bare et år siden.

Skrev i et separat papir offentliggjort i oktober i tidsskriftet Nature Communications, gruppemedlemmer Sheng Xu, Benjamin J. Hansen og Wang rapporterede om en ny teknik til fremstilling af piezoelektriske nanotråde fra blyzirkonattitanat - også kendt som PZT. Materialet er allerede brugt industrielt, men er svær at dyrke, fordi den kræver temperaturer på 650 grader Celsius.

I avisen, Wangs team rapporterede den første kemiske epitaksielle vækst af vertikalt justerede enkeltkrystal nanotrådarrays af PZT på en række ledende og ikke-ledende substrater. De brugte en proces kendt som hydrotermisk nedbrydning, som fandt sted ved blot 230 grader celsius.

Med et ensretterkredsløb til at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm, forskerne brugte PZT nanogeneratorerne til at drive en kommerciel laserdiode, demonstrerer et alternativt materialesystem til Wangs nanogeneratorfamilie. "Dette giver os fleksibiliteten til at vælge det bedste materiale og proces til det givne behov, selvom PZT's ydeevne ikke er så god som zinkoxid til elproduktion, " forklarede han.

Og i et andet papir udgivet i Nano bogstaver , Wang og gruppemedlemmer Guang Zhu, Rusen Yang og Sihong Wang rapporterede om endnu et fremskridt, der øgede nanogeneratorens output. Deres tilgang, kaldet "skalerbar fejende udskrivning, " omfatter en to-trins proces med (1) overførsel af vertikalt justerede zinkoxidnanotråde til et polymermodtagende substrat for at danne vandrette arrays og (2) påføring af parallelle strimmelelektroder for at forbinde alle nanotrådene sammen.

Ved at bruge et enkelt lag af denne struktur, forskerne producerede en åben kredsløbsspænding på 2,03 volt og en maksimal udgangseffekttæthed på cirka 11 milliwatt pr. kubikcentimeter.

"Fra vi startede i 2005 til i dag, vi har dramatisk forbedret outputtet af vores nanogeneratorer, " Wang bemærkede. "Vi er inden for rækkevidden af, hvad der er nødvendigt. Hvis vi kan køre disse små komponenter, Jeg tror på, at vi vil være i stand til at drive små systemer i den nærmeste fremtid. I de næste fem år, Jeg håber at se, at dette kommer i anvendelse."