Ny polymerfilm høster energi fra vanddamp, kunne drive nanoelektroniske enheder (m/ video)

MIT-ingeniører har skabt en ny polymerfilm, der kan generere elektricitet ved at trække på en allestedsnærværende kilde:vanddamp.

Det nye materiale ændrer form efter at have absorberet små mængder af fordampet vand, lader den gentagne gange krølle op og ned. Udnyttelse af denne kontinuerlige bevægelse kan drive robotlemmer eller generere nok elektricitet til at drive mikro- og nanoelektroniske enheder, såsom miljøsensorer.

"Med en sensor drevet af et batteri, du skal udskifte den med jævne mellemrum. Hvis du har denne enhed, du kan høste energi fra miljøet, så du ikke behøver at udskifte det ret ofte, " siger Mingming Ma, en postdoc ved MIT's David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research og hovedforfatter på et papir, der beskriver det nye materiale i 11. januar-udgaven af Videnskab .

"Vi er meget begejstrede for dette nye materiale, og vi forventer, efterhånden som vi opnår højere effektivitet i at konvertere mekanisk energi til elektricitet, dette materiale vil finde endnu bredere anvendelser, " siger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT og seniorforfatter af papiret. Disse potentielle anvendelser omfatter storskala, vanddampdrevne generatorer, eller mindre generatorer til at drive bærbar elektronik.

Andre forfattere af Science-oplægget er Koch Institute postdoc Liang Guo og Daniel Anderson, Samuel A. Goldblith-lektor i kemiteknik og medlem af Koch Institute og MIT's Institute for Medical Engineering and Science.

Høste energi

Den nye film er lavet af et sammenlåsende netværk af to forskellige polymerer. En af polymererne, polypyrrol, danner en hård, men fleksibel matrix, der giver strukturel støtte. Den anden polymer, polyol-borat, er en blød gel, der svulmer, når den absorberer vand.

Tidligere bestræbelser på at lave vandfølsomme film har kun brugt polypyrrol, som i sig selv viser en meget svagere respons. "Ved at inkorporere de to forskellige slags polymerer, du kan generere en meget større forskydning, samt en stærkere kraft, " siger Guo.

Filmen høster energi, der findes i vandgradienten mellem tørre og vandrige miljøer. Når den 20 mikrometer tykke film ligger på en overflade, der indeholder selv en lille mængde fugt, bundlaget absorberer fordampet vand, tvinger filmen til at krølle væk fra overfladen. Når bunden af ​​filmen er udsat for luft, det frigiver hurtigt fugten, saltomortaler fremad, og begynder at krølle sammen igen. Når denne cyklus gentages, den kontinuerlige bevægelse omdanner vandgradientens kemiske energi til mekanisk energi.

Sådanne film kan fungere som enten aktuatorer (en type motor) eller generatorer. Som aktuator, materialet kan være overraskende kraftfuldt:Forskerne demonstrerede, at en 25-milligram film kan løfte en byrde af objektglas 380 gange sin egen vægt, eller transportere et læs sølvtråde 10 gange sin egen vægt, ved at arbejde som en potent vanddrevet "minitraktor". Bruger kun vand som energikilde, denne film kunne erstatte de el-drevne aktuatorer, der nu bruges til at styre små robotlemmer.

"Den behøver ikke meget vand, " siger mor. "En meget lille mængde fugt ville være nok."

Generering af elektricitet

Den mekaniske energi, der genereres af materialet, kan også omdannes til elektricitet ved at koble polymerfilmen med et piezoelektrisk materiale, som omdanner mekanisk spænding til en elektrisk ladning. Dette system kan generere en gennemsnitlig effekt på 5,6 nanowatt, som kan lagres i kondensatorer for at forsyne mikroelektroniske enheder med ultralav effekt, såsom temperatur- og fugtighedssensorer.

Hvis det bruges til at producere elektricitet i større skala, filmen kunne høste energi fra miljøet – f.eks. mens den er placeret over en sø eller flod. Eller, det kunne være fastgjort til tøj, hvor den blotte fordampning af sved kunne give næring til enheder såsom fysiologiske overvågningssensorer. "Du kan løbe eller træne og generere strøm, " siger Guo.

I mindre skala, filmen kunne drive mikroelektriske mekaniske systemer (MEMS), herunder miljøsensorer, eller endnu mindre enheder, såsom nanoelektronik. Forskerne arbejder nu på at forbedre effektiviteten af ​​omdannelsen af ​​mekanisk energi til elektrisk energi, hvilket kunne give mindre film mulighed for at drive større enheder.