Автор: AZoNano

[19459

Носимые устройства, которые дают энергию от движения, не новая концепция, но материал, разработанный в Университете Райса, может сделать их более реалистичными.

Химическая лаборатория Джеймса Тура из Райса превратила графен, индуцированный лазером (LIG), в маленькие безметалловые устройства, которые вырабатывают электричество. Подобно растиранию шарика по волосам, при контакте LIG-композитов с другими поверхностями генерируется статическое электричество, которое можно использовать для питания устройств.

Благодаря трибоэлектрическому эффекту, материалы собирают заряд через контакт. Когда они соединяются, а затем разделяются, накапливаются поверхностные заряды, которые можно направлять на выработку электроэнергии.

В рамках экспериментов ученые связали свернутую полоску LIG со струной светоизлучающих диодов и обнаружили, что удар по полосе генерирует достаточную энергию, чтобы заставить их мигать. Больший кусок LIG, встроенный в триггер, позволяет пользователю производить энергию с каждым шагом, так как повторный контакт графенового композита с кожей создает ток для зарядки небольшого конденсатора.

Это может быть способ перезарядки небольших устройств, просто используя избыточную энергию ударов пятки во время ходьбы или движения качающейся руки на туловище .

Джеймс Тур, химик, рисовая лаборатория

Проект описан в журнале Американского химического общества ACS Nano .

LIG, графеновая пена, получают нагреванием химикатов на поверхности полимера или другого материала с помощью лазера, оставляя только взаимосвязанные чешуйки двумерного углерода. Первоначально лаборатория производила LIG на обычном полиимиде, но распространила метод на продукты питания, растения, древесину и обработанную бумагу.

Лаборатория преобразовала пробку, полиимид и другие материалы в электроды LIG, чтобы наблюдать, насколько хорошо они генерируют энергию и выдерживают износ. Они получили лучшие результаты из материалов на противоположных концах трибоэлектрического ряда, который измеряет их потенциал для создания статического заряда при контактной электрификации.

В конфигурации сгибания LIG из трибоотрицательного полиимида наносили с защитным покрытием из полиуретана, который также действовал как трибо-положительный материал. Когда электроды приводились в контакт друг с другом, электроны переносились в полиимид из полиуретана. Последовательный контакт и разделение приводят в движение заряды, которые могут накапливаться через внешнюю цепь, чтобы сбалансировать накопленный статический заряд. Складной LIG вырабатывал около 1 кВ и оставался стабильным после 5000 циклов изгиба.

Наилучшая конфигурация с электродами из композита полиимид-LIG и алюминия генерировала напряжения более 3,5 кВ с пиковой мощностью более 8 мВт.

Наногенератор, встроенный в триггер, смог накопить 0,22 миллиджоуля электрической энергии на конденсаторе после 1-километровой прогулки . Эта скорость накопления энергии достаточна для питания носимых датчиков и электроники движением человека .

Майкл Стэнфорд, ведущий исследователь, доктор наук, Университет Райса

Соавторы статьи – Ие Чянь и Чже Ванг, а также студенты бакалавриата Джон Ли и Уинстон Ванг. Тур это T.T. и W.F. Као Кафедра химии, а также профессор компьютерных наук, материаловедения и наноинженерии в Райсе.

Исследование было поддержано Управлением научных исследований ВВС.

Лабораторное видео демонстрирует, что многократное попадание в сложенный трибоэлектрический генератор производило достаточно энергии для питания ряда подключенных светодиодов. Испытание показало, как генераторы на основе лазерного графена могут использоваться для питания носимых датчиков и электроники при движении человека. (Видео предоставлено: Tour Group)