211service.com
Utnyttja hamsterkraften med en nanogenerator
Solljus, vind och vågor är inte de enda källorna till förnybar energi. För forskare som hoppas kunna driva enheter i nanoskala finns det också muskelkraft.
Muskelkraft: Den här hamstern bär en jacka fäst på en nanogenerator som skördar biomekanisk energi när den körs på ett träningshjul.
Varje hjärtslag och varje orolig rörelse som en person gör när han sitter vid en dator bär med sig en liten mängd energi som potentiellt skulle kunna avlägsnas. Men att skörda denna biomotion är utmanande eftersom så mycket av den är oregelbunden. Nu har forskare för första gången visat att en nanogenerator kan drivas av oregelbunden biorörelse med låg energi, inklusive knackning av ett mänskligt finger och en hamsters oberäkneliga löpning och repor.
Forskarnas nanogenerator utnyttjar den piezoelektriska effekten - hur vissa kristallina material producerar en elektrisk potential när de utsätts för mekanisk påfrestning. Teamet, ledd av Zhong Lin Wang , en professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Georgia Tech, har tillverkat generatorer med piezoelektriska nanotrådar sedan 2005. Den senaste nanogeneratorn består av en serie zinkoxidnanotrådar monterade ovanpå en flexibel plastyta. Ledningarna är anslutna till varandra och till en extern elektrisk krets med metallelektroder. När plasten böjer sig böjs också ledningarna, och denna rörelse skapar en elektrisk potential i ledningarna som driver ström genom den externa kretsen.
I en tidning publicerad online denna vecka i tidskriften Nanobokstäver , beskriver Wangs grupp hur man använder nanogeneratorn för att skörda olika typer av biomekanisk energi. Forskarna fäste nanogeneratorn på en persons pekfinger och registrerade uteffekten när den knackade på en yta. De skördade också energi från en hamster som bar en liten jacka fäst på enheten när gnagaren sprang på ett träningshjul och repade sig.
Andra forskare har utvecklat piezoelektriska konsoler som också kan skörda biomekanisk energi, men dessa system förlitar sig på regelbunden mekanisk resonans vid en specifik frekvens. De flesta biorörelser – sträcka muskler, svänga armar, gå, till och med hjärtats slag – producerar mekanisk energi som är mer oregelbunden. Wang säger att hans grupp har gjort den första generatorn som verkligen kan skörda små, oregelbundna rörelser.
Energin som genereras av enheten är för närvarande liten (cirka en nanowatt), men Wang säger att detta fortfarande är ett viktigt steg på vägen mot att utveckla användbara kraftkällor för enheter i nanoskala. Utsökt känsliga sensorer i nanoskala kräver mycket lite ström - ungefär en mikrowatt - för att göra saker som att upptäcka patogener eller cancerproteiner. Men en del av det som håller tillbaka deras utveckling är storleken och livslängden på befintliga nätaggregat. Implanterbara nanosensorer behöver en strömkälla som är både nanostor och långvarig, vilket eliminerar behovet av att kirurgiskt avlägsnas och ersättas.
Wangs grupp har inte gjort en implanterbar version av nanogeneratorn ännu, men Wang säger att det i teorin borde vara möjligt. Nanogeneratorerna kan till exempel vara inneslutna i biokompatibla polymerer och implanteras i muskelvävnad.
Forskarna arbetar med att öka enhetens kraft genom att lägga till fler piezoelektriska ledningar arrangerade i serie. Förutom att driva enheter i nanoskala, skulle de piezoelektriska generatorerna kanske kunna kopplas till större enheter. Under de kommande fem till tio åren hoppas Wang kunna öka kraftuttaget från generatorn avsevärt så att den kan vävas in i tyget av en jacka i människostorlek och skörda tillräckligt med energi för att ladda batterier för bärbara elektroniska enheter.