211service.com
Gratis elektriciteit van nanogeneratoren
De draagbare elektronica van vandaag (met uitzondering van zelfopwindende horloges en krukradio's) is voor stroomvoorziening afhankelijk van batterijen. Nu hebben onderzoekers aangetoond dat gemakkelijk te maken, goedkope nanodraden mechanische energie kunnen oogsten, wat mogelijk kan leiden tot vorderingen als medische implantaten die werken op elektriciteit die wordt opgewekt door pulserende bloedvaten en mobiele telefoons die worden aangedreven door nanodraden in de zolen van schoenen.
Een grafiek met pieken van elektrische ontlading terwijl de nanodraden worden gescand. (Met dank aan Zhong Lin Wang, Georgia Tech.)
Als je loopt, wek je 67 watt op. Je vingerbeweging is 0,1 watt. Je ademhaling is één watt. Als je een fractie daarvan kunt omzetten, kun je een apparaat van stroom voorzien. Op basis van het concept dat we hebben gedemonstreerd, kunnen we 17-30 procent daarvan omzetten, zegt Zhong Lin Wang , hoogleraar materiaalkunde aan Georgia Tech en een van de onderzoekers van het werk, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .
Hun resultaten bevestigen een theorie: nanodraden van zinkoxide zullen een krachtig piëzo-elektrisch effect vertonen, namelijk de productie van elektriciteit als reactie op mechanische druk. Gewoonlijk heffen de positieve en negatieve ladingen van zink- en zuurstofionen in deze kristallijne nanodraden elkaar op. Maar wanneer de draden, die chemisch zijn gegroeid om op een uiteinde op een elektrode te staan, buigen als reactie op bijvoorbeeld een trilling, worden de ionen verplaatst. Dit brengt de ladingen uit balans en creëert een elektrisch veld dat een stroom produceert wanneer de nanodraad wordt aangesloten op een circuit.
[Voor illustraties en afbeeldingen, klik hier .]
Hoewel elke nanodraad op zich heel weinig stroom produceert, kunnen we volgens Wang, met gelijktijdige output van vele nanodraden, veel stroom genereren, genoeg om een klein medisch implantaat te laten werken. Het werk gerapporteerd in Wetenschap het betrof slechts enkele nanodraden, maar Wang zegt dat zijn laboratorium al technologie heeft ontwikkeld om stroom uit meerdere nanodraden te halen.
Omdat het chemische proces waarmee de draden kunnen worden gekweekt goedkoop is, kan het op een gegeven moment praktisch zijn om grote arrays te produceren die voldoende stroom kunnen leveren voor consumentenelektronica. We kunnen deze tegen zeer lage kosten op polymeersubstraten telen, zegt Wang. Ons doel is om deze ooit in de schoenen van mensen te plaatsen, zodat je tijdens het lopen elektriciteit kunt opwekken.
Voordat er echter apparaten kunnen worden ontwikkeld die worden aangedreven door nanodraden, moeten onderzoekers manieren vinden om alle nanodraden op circuits aan te sluiten. Dat zegt Yi Cui , hoogleraar materiaalkunde en engineering aan de Stanford University, zal een uitdaging zijn, maar moet haalbaar zijn. Wang schat inderdaad dat op basis van zijn huidige vooruitgang, prototype-apparaten binnen vijf jaar zullen werken.
Een vroege toepassing van de nanogeneratoren is het leveren van stroom voor een glucosesensor die onder de huid van de arm wordt geïmplanteerd. Zo'n sensor zou bloedsuikermetingen naar een polshorloge sturen en, zegt Cui, op een dag zou het sensorimplantaat automatisch insuline kunnen afgeven wanneer dat nodig is.
Piëzo-elektrische materialen worden vaak gebruikt in apparaten op microschaal. Nieuw aan deze toepassing is het gemak waarmee nanogeneratoren op nanoschaal kunnen worden gemaakt, zegt juni Liu , onderzoeker aan het Pacific Northwest National Laboratory. Dergelijke dunne draden kunnen meer worden gebogen dan bulkzinkoxide zonder te breken, waardoor er meer spanning kan worden uitgeoefend en dus meer elektriciteit kan worden opgewekt. Ik denk dat het een heel belangrijk stuk werk is, zegt Liu. [Wang] heeft dingen gedaan waarvan mensen vermoedden dat ze mogelijk waren, maar nooit werk gemaakt.