211service.com
Flexibla ark fångar energi från rörelse
Forskare vid Princeton University har skapat ett flexibelt material som skördar rekordmängder energi vid stress. Forskarna säger att materialet kan införlivas i skosulorna för att driva bärbar elektronik, eller till och med placeras på en hjärtpatients lungor för att ladda en pacemaker när han andas.
Flex din kraft: En Princeton-forskare håller en kvadrat av silikon inbäddad med ett band av ett kristallint material som genererar en elektrisk ström när den böjs.
Det energiskördande gummit sätter band av ett piezoelektriskt material som kallas PZT mellan bitar av silikon. Vid mekanisk stress genererar ett piezoelektriskt material en spänning som kan användas för att producera elektrisk ström; en ström kan också omvandlas tillbaka till mekanisk rörelse.
Gummimaterialet kan utnyttja 80 procent av den energi som appliceras när det böjs – fyra gånger mer än befintliga flexibla piezoelektriska material.
Flexibilitet kan visa sig vara avgörande om tekniken för energiskörd ska ta fart. Till exempel testade militären piezoelektriska skor med styva sulor som strömkälla, men soldater klagade över fotsmärtor. Och tidigare flexibla energiskördare – baserade på piezoelektriska polymerer, nanotrådar eller andra typer av kristaller – släppte ut lite elektrisk ström.
PZT är det mest effektiva piezoelektriska materialet som är känt, men dess kristallina struktur gör att det måste odlas vid höga temperaturer, vilket normalt smälter ett flexibelt substrat. Princeton-forskarna, ledda av professor i maskinteknik Michael McAlpine , kom runt detta genom att göra PZT vid höga temperaturer och sedan överföra tunna band av materialet till silikon.
Först behandlar forskarna PZT med ett kemiskt etsbad som tar bort ett tunt band från kristallens yta. De använder sedan en polymerstämpel för att plocka upp bandet och placera det på en silikonfilm innan de täcker den med en andra bit silikon och förseglar den. Alla processer vi använder för att göra flexibla PZT-band är extremt enkla och okomplicerade, säger McAlpine. Av avgörande betydelse fann forskarna att processen inte äventyrar PZT:s energiomvandlingseffektivitet.
Proof-of-concept-test som beskrivs denna vecka i tidskriften Nanobokstäver visar att de gummiklädda PZT-banden bibehåller sin höga effektkonverteringseffektivitet. McAlpine säger att den enkla utskriftsprocessen lätt bör skalas upp för att göra större ark; han har lämnat in patent på processen.
McAlpine är särskilt inriktat på biomedicinska tillämpningar för materialet och säger att det kan minska antalet operationer som patienter med implantat måste genomgå. Läkare kan till exempel placera ett kraftgenererande ark mot lungorna under den första operationen; den ständiga rörelsen av organen kan hjälpa till att ladda ett batteri, säger McAlpine.
Jim Grotberg , professor i kirurgi och biomedicinsk teknik vid University of Michigan, säger att trådlös övervakning och läkemedelsleverans för patienter med kroniska medicinska problem är andra potentiella tillämpningar. Om du har en sensor som övervakar hjärtfrekvens, hjärnaktivitet eller blodtryck, eller ett implanterbart insulininjektionssystem, behöver du ett batteri, säger han.
PZT i sig är inte biokompatibelt - p:t kommer från den kemiska symbolen för bly, en av dess komponenter tillsammans med zirkonium och titan. Men kristallbanden är helt inkapslade i silikon, ett material som är godkänt av U.S. Food and Drug Administration för medicinska implantat.
Även djurförsök är fortfarande långt borta. Men Princeton-forskarna gör nu prototypenheter från lakanen för att testa hur mycket el de kan generera när de är inbyggda i skor.