Forskere åbner ny jord inden for trådløs energigenerering til fremtidige elektroniske gadgets

Forskere fra Clemson's Nanomaterials Institute (CNI) er et skridt tættere på trådløst at drive verden ved hjælp af triboelektricitet - en grøn energikilde.

I marts 2017 en gruppe fysikere ved CNI opfandt den ultra-enkle triboelektriske nanogenerator, eller U-TENG - en lille enhed lavet blot af plastik og tape, der genererer elektricitet fra bevægelse og vibrationer. Når de to materialer bringes sammen - ved at klappe i hænderne eller banke på fødderne, for eksempel - der genereres en spænding, der detekteres af en ledning, eksternt kredsløb. Elektrisk energi, gennem kredsløbet, opbevares derefter i en kondensator eller et batteri, indtil det er nødvendigt.

Ni måneder senere, i et papir offentliggjort i tidsskriftet Avancerede energimaterialer , forskerne har afsløret en trådløs version af TENG, kaldet W-TENG, hvilket i høj grad udvider teknologiens anvendelser.

W-TENG blev konstrueret under samme forudsætning som U-TENG, ved hjælp af materialer, der er så modsatte i affinitet til elektroner, at de genererer en spænding, når de bringes i kontakt med hinanden.

I W-TENG, plastik blev byttet til en flerdelt fiber lavet af grafen - et enkelt lag grafit, eller blyantbly - og en bionedbrydelig polymer kendt som polymælkesyre (PLA). PLA, på egen hånd, er fantastisk til at adskille positive og negative ladninger, men ikke så god til at lede elektricitet - derfor parrede forskerne den med grafen. Kapton tape, det elektronfangende materiale i U-TENG - blev erstattet med teflon, en blanding kendt til belægning af nonstick-kogegryder.

"Vi bruger teflon, fordi det har mange fluorgrupper, der er meget elektronegative, hvorimod grafen-PLA er meget elektropositiv. Det er en god måde at sidestille og skabe høje spændinger på, " sagde Ramakrishna Podila, tilsvarende forfatter til undersøgelsen og en assisterende professor i fysik ved Clemson.

For at få grafen, forskerne afslørede dets moderstof, grafit, til en højfrekvent lydbølge. Lydbølgen fungerer så som en slags kniv, skære "dækket af kort", der er grafit, i lag efter lag af grafen. denne proces, kaldet sonikering, er, hvordan CNI er i stand til at opskalere produktionen af ​​grafen for at imødekomme forsknings- og udviklingskravene fra W-TENG og andre nanomateriale-opfindelser under udvikling.

Efter samling af grafen-PLA-fiberen, forskerne udnyttede additiv fremstilling - også kendt som 3D-print - til at trække fiberen ind i en 3D-printer, og W-TENG blev født.

Slutresultatet er en enhed, der genererer en maksimal spænding på 3000 volt - nok til at forsyne 25 standard stikkontakter, eller i større skala, smart-tonede vinduer eller en LCD-skærm (liquid crystal display). Fordi spændingen er så høj, W-TENG genererer et elektrisk felt omkring sig selv, som kan registreres trådløst. Dens elektriske energi, også, kan opbevares trådløst i kondensatorer og batterier.

"Det kan ikke kun give dig energi, men du kan også bruge det elektriske felt som en aktiveret fjernbetjening. For eksempel, du kan trykke på W-TENG og bruge dets elektriske felt som en 'knap' til at åbne din garageport, eller du kan aktivere et sikkerhedssystem - alt sammen uden batteri, passivt og trådløst, " sagde Sai Sunil Mallineni, undersøgelsens første forfatter og en ph.d. studerende i fysik og astronomi.

De trådløse applikationer af W-TENG er rigelige, udvides til ressourcebegrænsede indstillinger, som i det ydre rum, midten af ​​havet eller endda den militære slagmark. Som sådan, Podila siger, at der er en klar filantropisk brug for holdets opfindelse.

"Flere udviklingslande kræver meget energi, selvom vi muligvis ikke har adgang til batterier eller stikkontakter i sådanne indstillinger, " sagde Podila. "W-TENG kunne være en af ​​de renere måder at generere energi på i disse områder."

Holdet af forskere, igen ledet af Mallineni, er i gang med at patentere W-TENG gennem Clemson University Research Foundation. Professor Apparao Rao, direktør for Clemson Nanomaterials Institute, er også i forhandlinger med industrielle partnere om at begynde at integrere W-TENG i energiapplikationer.

Imidlertid, før industriel produktion, Podila siger, at der bliver gjort mere forskning for at erstatte Teflon med en mere miljøvenlig, elektronegativt materiale. En kandidat til redesignet er MXene, en todimensionel uorganisk forbindelse, der har ledningsevnen som et overgangsmetal og den vandelskende karakter af alkoholer som propanol. Yongchang Dong, en anden kandidatstuderende ved CNI, ledet arbejdet med at demonstrere MXene-TENG, som blev offentliggjort i en artikel i november 2017 i tidsskriftet Nano energi . Herbert Behlow og Sriparna Bhattacharya fra CNI bidrog også til disse undersøgelser.

Vil W-TENG få indflydelse på alternativets område, vedvarende energi? Rao siger, at det vil komme ned til økonomi,

"Vi kan kun tage det så langt som videnskabsmænd; økonomien skal fungere, for at W-TENG kan blive en succes, " sagde Rao.