Bærbare enheder drevet af kropsbevægelse ved hjælp af strækbare tynde nanorør af kulstofrør

En gennemsigtig, strækbar triboelektrisk nanogenerator (TENG) med et areal på op til 12 cm x 12 cm og effekt 8 Watt pr. kvadratmeter, er blevet realiseret af forskere fra Nagoya University ved hjælp af en tyndfilm af nanorør af kulstof (CNT -film) som en af ​​TENGs elektroder. CNT-filmen blev dannet ved hjælp af en enkel omkostningseffektiv og skalerbar spray-coating-metode, og anvendt, som bevis-på-koncept, til selvdrevne optiske trådløse kommunikationsark og handsker, der også driver blå lysdioder. Arbejdet blev rapporteret i journalen Nano energi .

Bærbare enheder, som smartwatches og aktivitetsmålere, har mange nyttige funktioner, herunder informationsvisning og biologisk informationsføling. Mere end en halv milliard bruges allerede på verdensplan, i en lang række applikationer som f.eks. sport, sundhedspleje, og det menneskelige tingenes internet (IoT'er) - og dette vil stige drastisk, når 5G -telekomrevolutionen blomstrer fuldt ud. I øjeblikket, næsten alle sådanne enheder drives af genopladelige batterier, som er relativt omfangsrige og kræver rimelig tid til genopladning. I øvrigt, de almindeligt anvendte Li-ion-batterier står også over for miljøhensyn. Hvad hvis strømkilden til bærbare enheder slet ikke var et batteri, men et strækbart materiale, der følger kroppens bevægelse, og er lille og let for brugerkomfort? Energihøstteknologier, der konverterer små mængder omgivende energi til elektrisk energi, kan være et alternativ til batterier til strømforsyning af bærbare enheder.

Forståeligt nok, strækbare elektroniske enheder har tiltrukket megen forskning og kommerciel opmærksomhed for nylig. Bærbare energihøstere skal ikke kun være fleksible, men også strækbare for at følge kroppens tredimensionelle kropsbevægelse. I øvrigt, de skal levere tilstrækkelig strøm til at drive en række elektroniske enheder. Imidlertid, høstmaskinernes udgangseffekt på nuværende tidspunkt er ikke nok til at gøre den strækbare triboelektriske generation praktisk.

Et forskerhold fra Nagoya University har overvundet problemet med strækbarhed og lav udgangseffekt. Som første forfatter, Lektor Masahiro Matsunaga, fra Institute of Materials and Systems for Sustainability ved Nagoya University, forklarer, "Vi har realiseret en gennemsigtig og strækbar triboelektrisk nanogenerator (TENG), der kan følge menneskelige bevægelser ved at bruge en tyndfilm af kulstof -nanorør (CNT -film) som en elektrode til TENG. Den fremstillede TENG har en enkel struktur:en CNT -film er klemt inde en polydimethylsiloxan (PDMS) elastomer. Den har en gennemsigtighed på over 90%. "

Når overfladen af ​​TENG røres, TENG omdanner mekanisk energi til elektricitet ved en proces kaldet "kontaktelektrifiering" og elektrostatisk induktion. CNT-filmen er fremstillet ved en simpel spray-coating-metode, som er omkostningseffektiv og skalerbar. Nagoya -universitetets forskergruppe kan fremstille en stor TENG med et areal på op til 12 cm x 12 cm. I øvrigt, ved hjælp af en plasmabehandling under fremstilling, den aktuelle, realiseret effektudgangstæthed for TENG er op til 8 Watt pr. kvadratmeter.

Som et bevis-på-koncept, Nagoya University-teamet demonstrerede nytten af ​​det nye TENG ved at anvende det til at lave selvdrevne optiske trådløse kommunikationsark, og handsker, hvor blå lysemitterende dioder (LED'er) blev integreret i TENG'en og forbundet med CNT-film.

Professor Matsunaga forklarer videre:"For kommunikationsarkene, vi dannede tre adskilte elektroder og ledninger med lysdioderne i forskellige farver i arket. Arket kan sende forskellige optiske signaler afhængigt af berøringstypen - tryk eller stryg. "

"For at lave handsken, vi fastgjorde TENG på håndfladen, og brugte en CNT -ledning til at forbinde den med blå lysdioder, der er indlejret på bagsiden af ​​hånden. Handsken kan drive lysdioder med håndklap. Handsken kan tages på og tages af uden at beskadige funktionaliteten på grund af strækbarheden og holdbarheden af ​​CNT -filmene. "

Den nye teknik til at lave relativt høj effekt, strækbare og fleksible kraftgeneratorer kan være det første trin i at reducere vores afhængighed af genopladelige batterier til bærbare enheder.