Met het begin van het Internet of Things (IoT)-tijdperk hebben apparaten geleerd om te communiceren en gegevens uit te wisselen. Dit wordt bereikt door sensoren die zijn geïnstalleerd in fysieke objecten, machines en apparatuur. De sensoren kunnen veranderingen in gebeurtenissen detecteren. De noodzaak van continue energietoevoer naar deze sensoren vormt echter een uitdaging. Batterijen zijn omvangrijk, duur en niet milieuvriendelijk. Bovendien moeten ze constant worden vervangen of opgeladen.

Er is dan ook vraag naar duurzame en hernieuwbare energiebronnen ter vervanging van batterijen. De tribo-elektrische nanogenerator (TENG) is zo'n apparaat. Simpel gezegd, TENG's zetten mechanische energie om in elektrische energie. Hun hoge energie-efficiëntie, compatibiliteit met gemakkelijk verkrijgbare materialen en lage kosten maken ze een veelbelovende kandidaat voor het voeden van sensoren.

Ondanks dergelijke voordelen worden huidige TENG's echter beperkt door een lage uitgangsstroom. Maar het verhogen van de uitgangsstroom zou grotere apparatuur vereisen, waardoor het onmogelijk is om in kleine apparaten te worden gebruikt. Is er een manier om deze afweging te omzeilen?

Een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Sangmin Lee van de Chung-Ang University in Korea heeft dit probleem nu aangepakt. "Ons laboratorium is geïnteresseerd in een krachtig TENG-ontwerp en TENG-gebaseerde zelfaangedreven sensoren. We hebben geprobeerd de beperking van de huidige TENG's aan te pakken, zodat ze in de praktijk kunnen worden gebruikt om draagbare stroombronnen te realiseren", legt Dr. Lee uit. zijn motivatie achter de studie, die werd gepubliceerd in Advanced Energy Materials . Het onderzoek zal op de voorkant van het komende nummer verschijnen.

Het team ontwikkelde een nieuw apparaat in hun onderzoek genaamd "inhalation-driven vertical flutter TENG" (IVF-TENG) dat een versterkte stroomoutput vertoont. "Respiratie fungeert als een continue mechanische invoer en kan worden gebruikt om TENG's te bedienen. Filmflutter TENG's zijn zulke ademhalingsgestuurde apparaten die een continue elektrische output kunnen genereren uit een extreem kleine ademhalingsinvoer door gebruik te maken van het flutterfenomeen dat voortkomt uit door de luchtstroom geïnduceerde trillingen ", legt Dr. Lee uit.

De IVF-TENG is samengesteld uit een aluminium (Al) inlaatelektrode, een aero-elastische diëlektrische plaat (polyimide) en een Al-uitlaatelektrode. De aero-elastische plaat heeft vier segmenten met vier spleten en is onderhevig aan verticaal fluttergedrag veroorzaakt door luchtstroom. Dit maakt de voorgestelde IVF-TENG anders dan bestaande TENG's.

Het team onderzocht de elektrische en mechanische mechanismen van IVF-TENG. Ze ontdekten dat IVF-TENG een continue, hoogfrequente elektrische spanning (17 V) en een ruststroom van 1,84 μA opwekte tijdens inademing, en een elektrostatische ontladingsspanning van 456 V en een ruststroomuitgang van 288 mA bij de begin en einde van elke inspiratiecyclus.

Ze toonden verder aan dat IVF-TENG bij elke inademing continu 130 LED's in serie en 140 LED's parallel kan voeden. Bovendien kan het een condensator van 660 𝜇F opladen om op zijn beurt een Bluetooth-tracker van stroom te voorzien en zijn signaal aan een smartphone te geven. Deze eigenschappen demonstreerden het potentieel voor de toepassing van IVF-TENG in draagbare elektronica en draadloze gegevensoverdracht.

Bovendien integreerden de onderzoekers IVF-TENG in een gasmasker en demonstreerden ze het vermogen om het ademhalingspatroon van de gebruiker te volgen door de outputresponsgolfvorm te observeren. Bovendien kan het chemische oorlogsmiddelen zoals cyanogeenchloride, sarin en dimethylmethylfosfonaat (DMMP) detecteren, wat het potentieel voor gebruik tijdens noodsituaties aantoont. "Omdat gasmaskers op grote schaal worden gebruikt in noodsituaties zoals brand en blootstelling aan chemische gassen, hebben we ons gericht op het toepassen van TENG op een gasmasker. We zijn van mening dat IVF-TENG in dergelijke scenario's kan worden gebruikt als een zelfaangedreven sensor", zegt Dr. Lee. . + Verder verkennen

Op hefboom geïnspireerde tribo-elektrische nanogenerator met ultrahoge output voor pulsbewaking