Energi Pemanenan: Nanogenerators Tumbuh Cukup Kuat untuk Perangkat Power Elektronik Konvensional Kecil

Livejurnal69 - Berkedip angka di layar kristal cair (LCD) sering menunjukkan bahwa jam perangkat kebutuhan ulang. Tetapi dalam laboratorium Zhong Lin Wang dari Georgia Tech, jumlah berkedip pada LCD kecil sinyal keberhasilan dari upaya lima-tahun untuk perangkat kekuasaan elektronik konvensional dengan generator nano yang panen energi mekanik dari lingkungan menggunakan sebuah array nanowires kecil.

Dalam hal ini, energi mekanik berasal dari memadatkan sebuah nanogenerator antara dua jari, tetapi bisa juga berasal dari detak jantung, deburan sepatu pejalan kaki di jejak, gemerisik kemeja, atau getaran dari mesin berat. Meskipun nanogenerators tidak akan pernah menghasilkan sejumlah besar listrik untuk keperluan konvensional, mereka dapat digunakan untuk skala nano daya dan perangkat mikro - dan bahkan untuk alat pacu jantung mengisi ulang atau iPod.

nanogenerators Wang mengandalkan efek piezoelektrik dilihat pada material kristalin seperti oksida seng, di mana sebuah potensi muatan listrik dibuat saat struktur yang terbuat dari material adalah tertekuk atau terkompresi. Dengan menangkap dan menggabungkan biaya dari jutaan kabel ini nano zinc oxide, Wang dan tim risetnya dapat memproduksi sebanyak tiga volt - dan sampai 300 nanoamps.

"Dengan menyederhanakan desain kami, membuatnya lebih kuat dan mengintegrasikan kontribusi dari kawat nano lebih banyak, kita telah berhasil meningkatkan output dari nanogenerator kami cukup untuk membuat perangkat seperti displai layar kristal cair komersial, dioda pemancar cahaya dan dioda laser," kata Wang, seorang profesor Bupati 'di Georgia Tech School of Material Science and Engineering. "Jika kita bisa mempertahankan tingkat perbaikan ini, kita akan mencapai beberapa aplikasi yang benar dalam perangkat kesehatan, elektronik pribadi, atau pemantauan lingkungan."

perbaikan terbaru di nanogenerators, termasuk teknik fabrikasi sederhana, yang dilaporkan minggu lalu online dalam jurnal Nano Letters. Sebelumnya makalah dalam jurnal yang sama dan di Nature Komunikasi melaporkan kemajuan lain untuk pekerjaan, yang telah didukung oleh Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Departemen Energi AS, Angkatan Udara AS, dan National Science Foundation.

"Kami tertarik dalam perangkat yang sangat kecil yang dapat digunakan dalam aplikasi seperti perawatan kesehatan, pemantauan lingkungan dan elektronik pribadi," kata Wang. "Bagaimana daya perangkat ini adalah masalah penting."

The nanogenerators seng oksida awal digunakan array dari kawat nano ditumbuhkan pada substrat kaku dan ditutup dengan logam elektroda. Versi tertanam kedua ujung kawat nano dalam polimer dan diproduksi kekuasaan oleh meregangkan sederhana. Terlepas dari konfigurasi, perangkat yang dibutuhkan pertumbuhan yang cermat terhadap array nanowire dan perakitan telaten.

Dalam kertas terbaru, Wang dan dia anggota kelompok Youfan Hu, Yan Zhang, Chen Xu, Guang Zhu dan Zetang Li melaporkan tentang teknik fabrikasi yang lebih sederhana. Pertama, mereka tumbuh array dari tipe baru nanowire yang memiliki bentuk kerucut. Kabel ini dipotong dari substrat pertumbuhan dan ditempatkan ke dalam larutan alkohol.

Solusi berisi kawat nano kemudian menetes ke elektroda logam tipis dan selembar film polimer fleksibel. Setelah alkohol diizinkan untuk kering, lapisan lain telah dibuat. Beberapa nanowire / polimer lapisan yang dibangun menjadi semacam komposit, menggunakan proses yang Wang yakin bisa ditingkatkan untuk produksi industri.

Ketika tertekuk, sandwich nanowire ini - yang sekitar dua sentimeter oleh 1,5 cm - dihasilkan daya yang cukup untuk menggerakkan layar komersial yang dipinjam dari kalkulator saku.

Wang mengatakan nanogenerators kini dekat dengan memproduksi cukup lancar dalam sistem self-powered yang mungkin memantau lingkungan untuk gas beracun, misalnya, kemudian siaran peringatan. Sistem ini akan mencakup kapasitor mampu menyimpan biaya kecil sampai daya yang cukup tersedia untuk mengirimkan ledakan data.

Sementara bahkan output nanogenerator saat ini masih di bawah tingkat yang dibutuhkan untuk perangkat seperti iPod atau alat pacu jantung, Wang yakin level tersebut akan tercapai dalam waktu tiga sampai lima tahun. The nanogenerator saat ini, ia mencatat, hampir 100 kali lebih kuat daripada apa yang kelompoknya telah dikembangkan setahun yang lalu.

Menulis di kertas terpisah yang diterbitkan pada bulan Oktober dalam jurnal Nature Komunikasi, anggota kelompok Sheng Xu, Benjamin J. Hansen dan Wang melaporkan pada teknik baru untuk fabrikasi nanowires piezoelektrik dari titanat zirkonat timbal - juga dikenal sebagai dipelajari. Materi yang sudah digunakan industri, tetapi sulit untuk tumbuh karena membutuhkan suhu 650 derajat Celcius.

Dalam tulisan ini, tim Wang melaporkan pertumbuhan kimia pertama epitaxial dari vertikal-blok array nanowire tunggal-kristal dipelajari pada berbagai substrat konduktif dan non-konduktif. Mereka menggunakan proses yang dikenal sebagai dekomposisi hidrotermal, yang berlangsung di hanya 230 derajat Celcius.

Dengan sirkuit perbaikan untuk mengubah alternating current langsung saat ini, para peneliti menggunakan nanogenerators PZT untuk daya dioda laser komersial, menunjukkan sistem bahan alternatif bagi keluarga nanogenerator Wang. "Hal ini memungkinkan kita fleksibilitas untuk memilih bahan terbaik dan proses untuk kebutuhan yang diberikan, meskipun kinerja PZT tidak sebaik sebagai oksida seng untuk pembangkit listrik," jelasnya.

Dan dalam makalah yang diterbitkan dalam Nano Letters, Wang dan anggota kelompok Guang Zhu, Rusen Sihong Wang Yang dan melaporkan pada belum maju lain meningkatkan output nanogenerator. Pendekatan mereka, yang disebut "pencetakan sweeping terukur," termasuk sebuah proses dua-langkah (1) transfer kawat nano zinc oxide vertikal-blok untuk polimer menerima substrat untuk membentuk array horizontal dan (2) menerapkan elektroda paralel strip dapat terhubung semua kawat nano bersama-sama.

Menggunakan satu lapis struktur ini, para peneliti menghasilkan tegangan rangkaian terbuka 2,03 volt dan output puncak densitas daya sekitar 11 miliwatt per sentimeter kubik.

"Dari saat kami mulai di tahun 2005 hingga saat ini, kami telah meningkatkan output dari nanogenerators kami," kata Wang. "Kami berada dalam kisaran apa yang dibutuhkan Jika kita dapat mengendarai komponen-komponen kecil, saya percaya kita akan mampu sistem tenaga listrik kecil dalam waktu dekat.. Dalam lima tahun berikutnya, saya berharap dapat melihat ini pindah ke aplikasi."