Den rå kraft af menneskelig bevægelse

Autonomi er et længe ventet træk ved næste generations mikrosystemer, såsom fjernsensorer, bærbare elektroniske gadgets, implanterbare biosensorer og nanorobotter. KAUST-forskere ledet af Husam Alshareef, Jr-Hau He og Khaled Salama har udviklet små selvstændige enheder ved at integrere vedligeholdelsesfrie strømenheder, der producerer og bruger deres eget brændstof i stedet for at stole på en ekstern strømkilde.

Triboelektriske nanogeneratorer (TENG'er) fanger mekanisk energi fra deres omgivelser, såsom vibrationer og tilfældige bevægelser produceret af mennesker, og omdanne det til elektricitet. I disse små generatorer, Friktionskontakt mellem materialer med forskellig polaritet skaber modsat ladede overflader. Gentagen friktion får elektroner til at hoppe mellem disse overflader, resulterer i elektrisk spænding.

"Vi udnyttede denne triboelektriske effekt til at høste energi fra simple bevægelser, såsom håndklap, fingerbank og rutinemæssig håndbevægelse, at drive forskellige typer sensorer, " siger Alshareef.

Forskerne har udviklet en selvdrevet fotodetektor ved at koble den silikonebaserede polymer polydimethylsiloxan (PDMS) som en TENG med et materiale kaldet organometallisk halogenidperovskit. Det bly-halogenid-baserede materiale har optoelektroniske egenskaber, som er ønskelige i solceller og lysemitterende dioder.

For at strømline deres design og eliminere behovet for en bevægelsesaktuator, Hans team fremstillede fotodetektoren ved hjælp af to flerlagede polymerbaserede plader adskilt af et lille mellemrum. Det ene ark omfattede den ultratynde perovskitfilm, mens det andet indeholdt et PDMS-lag. Gabet gjorde det muligt for holdet at udnytte den triboelektriske effekt, når enheden blev aktiveret ved at trykke med en finger.

"Den selvdrevne enhed viste fremragende reaktionsevne over for indfaldende lys, især når de udsættes for lys med lav intensitet, " siger Mark Leung, hovedforfatteren af ​​fotodetektorundersøgelsen. På grund af dets fleksible og gennemsigtige polymerkomponenter, den beholdt også sin ydeevne efter at være blevet bøjet 1, 000 gange og uanset orienteringen af ​​det indfaldende lys.

flytter grænserne yderligere, forskerne konstruerede et bærbart selvdrevet armbånd, der kan lagre den konverterede mekaniske energi ved at kombinere en kulfiber-indlejret silikone nanogenerator med MXene mikrosupercapacitors².

De inkorporerede nanogenerator og miniaturiserede elektrokemiske kondensatorer i en enkelt monolitisk enhed indkapslet i silikonegummi. Den lækagesikre og strækbare skal gav et fleksibelt og blødt armbånd, der passede fuldstændigt til kroppen. Udsving i hud-silicone-adskillelsen ændrede ladningsbalancen mellem elektroderne, får elektronerne til at flyde frem og tilbage over TENG'en og mikrosuperkondensatoren til at lade op.

Ud over at udvise længere cykluslevetid og kort opladningstid, MXene mikrosuperkondensatorer kan akkumulere mere energi i et givet område end tyndfilm og mikrobatterier, at tilbyde hurtigere og mere effektive småskala energilagringsenheder til TENG-genereret elektricitet. Når den er aktiv, armbåndet kan bruge den lagrede energi til at betjene forskellige elektroniske enheder, såsom ure og termometre.

"Vores ultimative mål er at udvikle en selvdrevet sensorplatform til personlig sundhedsovervågning, " siger Ph.D.-studerende Qiu Jiang, hovedforfatteren af ​​selvopladningsbandprojektet. Holdet planlægger nu at introducere sensorer i systemet til at detektere biomarkører i menneskelig sved.