Gratis el från nanogeneratorer

Dagens bärbara elektronik (förutom självuppdragande klockor och vevradio) är beroende av batterier för ström. Nu har forskare visat att lätttillverkade, billiga nanotrådar kan skörda mekanisk energi, vilket möjligen leder till sådana framsteg som medicinska implantat som drivs på elektricitet som genereras från pulserande blodkärl och mobiltelefoner som drivs av nanotrådar i skosulorna.

En graf som visar toppar av elektrisk urladdning när nanotrådarna skannas. (Med tillstånd av Zhong Lin Wang, Georgia Tech.)

När du går genererar du 67 watt. Din fingerrörelse är 0,1 watt. Din andning är en watt. Om du kan konvertera en bråkdel av det kan du driva en enhet. Från konceptet vi har visat kan vi konvertera 17-30 procent av det, säger Zhong Lin Wang , professor i materialvetenskap vid Georgia Tech och en av forskarna i arbetet, publicerad i tidskriften Vetenskap .

Deras resultat bekräftar en teori: zinkoxidnanotrådar kommer att visa en kraftfull piezoelektrisk effekt, vilket är produktionen av elektricitet som svar på mekaniskt tryck. Vanligtvis tar de positiva och negativa laddningarna av zink och syrejoner i dessa kristallina nanotrådar ut varandra. Men när trådarna, som är kemiskt odlade för att stå på ändan ovanpå en elektrod, böjs som svar på, säg, en vibration, förskjuts jonerna. Detta obalanserar laddningarna och skapar ett elektriskt fält som producerar en ström när nanotråden är ansluten till en krets.

[För illustrationer och bilder, klicka här .]

Även om varje nanotråd ensam producerar väldigt lite ström, säger Wang, med samtidig utmatning från många nanotrådar, kan vi generera hög effekt, tillräckligt för att köra ett litet medicinskt implantat. Arbetet redovisas i Vetenskap involverade endast enstaka nanotrådar, men Wang säger att hans labb redan har utvecklat teknik för att hämta kraft från flera nanotrådar.

Eftersom den kemiska processen genom vilken ledningarna kan odlas är billig, kan det vid någon tidpunkt vara praktiskt att producera stora arrayer som kan ge tillräckligt med ström för konsumentelektronik. Vi kan odla dessa på polymersubstrat till mycket låg kostnad, säger Wang. Vårt mål är att en dag lägga dessa i människors skor så att du kan generera elektricitet när du går.

Innan några enheter som drivs av nanotrådar kan utvecklas måste forskarna dock hitta sätt att ansluta alla nanotrådar till kretsar. Det säger Yi Cui , professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Stanford University, kommer att vara en utmaning men borde vara genomförbart. Faktum är att Wang uppskattar att baserat på hans nuvarande framsteg kommer prototypenheter att fungera inom fem år.

En tidig tillämpning av nanogeneratorerna är att tillhandahålla ström till en glukossensor implanterad under huden på armen. En sådan sensor skulle överföra blodsockeravläsningar till ett armbandsur och, säger Cui, en dag kunde sensorimplantatet automatiskt släppa ut insulin när det behövs.

Piezoelektriska material används ofta i mikroskala enheter. Det som är nytt med den här applikationen är den lätthet med vilken nanogeneratorer kan tillverkas i nanoskala, säger juni Liu , forskare vid Pacific Northwest National Laboratory. Sådana tunna trådar kan böjas mer än bulk zinkoxid utan att gå sönder – vilket gör det möjligt att belasta mer och generera mer elektricitet. Jag tycker att det är ett mycket viktigt arbete, säger Liu. [Wang] har gjort saker som folk misstänkte var möjliga, men aldrig fått det att fungera.

Dölj