211service.com
Flexibele vellen vangen energie op uit beweging
Onderzoekers van Princeton University hebben een flexibel materiaal gemaakt dat bij stress recordhoeveelheden energie oogst. De onderzoekers zeggen dat het materiaal in de zolen van schoenen kan worden verwerkt om draagbare elektronica van stroom te voorzien, of zelfs op de longen van een hartpatiënt kan worden geplaatst om een pacemaker op te laden terwijl hij ademt.
Buig je kracht: Een Princeton-onderzoeker houdt een vierkant van siliconen vast met een lint van kristallijn materiaal dat een elektrische stroom genereert wanneer het wordt gebogen.
De energie-oogstende rubbers sandwichen linten van een piëzo-elektrisch materiaal genaamd PZT tussen stukjes siliconen. Bij mechanische belasting genereert een piëzo-elektrisch materiaal een spanning die kan worden gebruikt om elektrische stroom te produceren; een stroom kan ook weer worden omgezet in mechanische beweging.
Het rubberen materiaal kan 80 procent van de energie opnemen die wordt toegepast wanneer het wordt gebogen - vier keer meer dan bestaande flexibele piëzo-elektrische materialen.
Flexibiliteit kan van cruciaal belang zijn als de technologie voor het oogsten van energie een vlucht wil nemen. Het leger testte bijvoorbeeld piëzo-elektrische schoenen met stijve zolen als krachtbron, maar soldaten klaagden over voetpijn. En eerdere flexibele energieoogstmachines - gebaseerd op piëzo-elektrische polymeren, nanodraden of andere soorten kristallen - produceerden weinig elektrische stroom.
PZT is het meest efficiënte piëzo-elektrische materiaal dat bekend is, maar vanwege de kristallijne structuur moet het worden gekweekt bij hoge temperaturen, die normaal gesproken een flexibel substraat doen smelten. De Princeton-onderzoekers, onder leiding van professor werktuigbouwkunde Michael McAlpine , omzeilde dit door PZT bij hoge temperaturen te maken en vervolgens dunne linten van het materiaal op siliconen over te brengen.
Ten eerste behandelen de onderzoekers de PZT met een chemisch etsbad dat een dun lint van het oppervlak van het kristal verwijdert. Vervolgens gebruiken ze een polymeerstempel om het lint op te pakken en op een siliconenfilm te plaatsen voordat ze het bedekken met een tweede stuk siliconen en het afdichten. Alle processen die we gebruiken om flexibele PZT-linten te maken, zijn uiterst eenvoudig en duidelijk, zegt McAlpine. Cruciaal was dat de onderzoekers ontdekten dat het proces de energieconversie-efficiëntie van PZT niet in gevaar brengt.
Proof-of-concept-tests beschreven deze week in het tijdschrift Nano-letters laten zien dat de met rubber omhulde PZT-linten hun hoge energieconversie-efficiëntie behouden. McAlpine zegt dat het eenvoudige printproces gemakkelijk moet worden opgeschaald om grotere vellen te maken; hij heeft een patent aangevraagd op het proces.
McAlpine is vooral gericht op biomedische toepassingen van het materiaal en zegt dat het het aantal operaties dat patiënten met implantaten moeten ondergaan, kan verminderen. Artsen zouden bijvoorbeeld tijdens de eerste operatie een stroomopwekkend laken tegen de longen kunnen leggen; de constante beweging van de organen zou kunnen helpen een batterij op te laden, zegt McAlpine.
Jim Grotberg , hoogleraar chirurgie en biomedische technologie aan de Universiteit van Michigan, zegt dat draadloze monitoring en medicijnafgifte voor patiënten met chronische medische problemen andere potentiële toepassingen zijn. Als je een sensor hebt die hartslag, hersenactiviteit of bloeddruk meet, of een implanteerbaar insuline-injectiesysteem, heb je een batterij nodig, zegt hij.
PZT zelf is niet biocompatibel - de p komt van het chemische symbool voor lood, een van zijn componenten samen met zirkonium en titanium. Maar de kristallinten zijn volledig ingekapseld in siliconen, een materiaal dat is goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration voor medische implantaten.
Zelfs dierproeven zijn nog ver weg. Maar de Princeton-onderzoekers maken nu prototypes van de lakens om te testen hoeveel elektriciteit ze kunnen opwekken als ze in schoenen worden ingebouwd.