(PhysOrg.com) -- Deze laarzen zijn gemaakt om te wandelen... en om je mobiele telefoon op te laden? Het kan gebeuren, zegt een team van wetenschappers van Princeton en Caltech. In een recent artikel in het tijdschrift Nano-letters , ze melden dat ze een innovatieve rubberen chip hebben ontwikkeld die het vermogen heeft om energie te halen uit bewegingen zoals lopen, rennen, en ademhaling en zet het om in een krachtbron.

Scoor er een voor het lichaam elektrisch.

“Het biedt veel mogelijkheden, " zegt Caltech afgestudeerde student Habib Ahmad, een co-auteur op het papier. "We verdrijven allemaal energie terwijl we ons lichaam bewegen, en het is denkbaar dat energie kan worden gebruikt om kleine elektronische apparaten zoals een iPod of een mobiele telefoon op te laden."

De sleutel tot deze ontwikkeling is een klasse van materialen die bekend staat als piëzo-elektrische materialen, dat zijn stoffen - voornamelijk kristallijn en keramiek - die reageren op stress of spanning door een lading te produceren, in wezen mechanische energie omzetten in elektrische energie. ("Piezo" is afgeleid van een Grieks woord, wat betekent knijpen of druk uitoefenen.)

"Piëzo-elektriciteit bestaat al een tijdje, ", zegt Ahmad. "De bekendste en meest gebruikte natuurlijke is kwarts." Keramische, velen van hen zijn door de mens gemaakt, produceren vaak meer spanning bij stress, maar om dat spanningsniveau hoog te houden, moeten ze over het algemeen op een hard oppervlak worden gekweekt, of ondergrond. Dat beperkt hoe flexibel ze kunnen reageren op de druk die wordt gegenereerd door, zeggen, een zwaaiende arm of een trapvoet.

Ahmad werkt momenteel aan zijn doctoraat in het lab van Caltech's Gilloon Professor en Professor of Chemistry James Heath, waar hij micro- en nanodevices ontwikkelt - ultrakleine instrumenten - die kunnen helpen bij het opsporen en diagnosticeren van bepaalde soorten kanker. Hij raakte een paar jaar geleden betrokken bij een voorloper van het piëzo-elektrische onderzoek toen hij samen met Heath-postdoc Michael McAlpine een nieuwe techniek uittestte die McAlpine had bedacht om silicium nanodraden over te brengen van een onbuigzaam substraat naar een plastic substraat.

"Eigenlijk wilde Mike weten of deze draden nog steeds hoogspanning zouden genereren op een flexibel oppervlak, " zegt Ahmad "Het bouwen van elektronische schakelingen en sensoren op flexibele kunststoffen is een vrij nieuw veld, maar het is er een die veel belangstelling heeft gewekt. Dus bouwde ik een kamer waarmee Mike kon bepalen welke gassen aan de chip werden blootgesteld en in welke concentraties. zodat we ze konden detecteren met sensoren op nanoschaal, en ik heb alle meetelektronica opgezet en software voor het verzamelen van gegevens geschreven."

In de zomer van 2008 McAlpine werd assistent-professor aan Princeton, waar hij de technieken die hij bij Caltech had ontwikkeld uitbreidde tot piëzo-elektrische materialen. Zijn team was de eerste die minuscule strips fabriceerde, of nanolinten, van een bijzonder krachtig keramisch piëzo-elektrisch, loodzirkonaattitanaat (PZT), en om ze met succes over te brengen op een siliconenrubbersubstraat.

"Mike vroeg me om te helpen met het testen van het materiaal op een harde wafer om een ​​basislijnspanning vast te stellen, ", zegt Ahmad. Hij ontwierp en produceerde de technische tekeningen voor de kamers die worden gebruikt om de PZT-draden te testen, testte de gegevensverzamelende circuits, en werkte aan de cijfers voor de krant. Nadat die tests waren voltooid en de draden waren overgebracht naar het flexibele oppervlak, "Het team van Mike heeft de spanning opnieuw gemeten en heeft vrijwel geen verslechtering van de spanningsniveaus gevonden."

“Wat dit laatste resultaat bijzonder opwindend maakte, " zegt Achmed, "is dat een piëzo-elektrisch materiaal dat op een rubberen ondergrond zit, kneedbaar genoeg is om relatief comfortabel in je schoen te worden gedragen of als een zweetband om je arm." En omdat PZT bijna 100 keer effectiever energie opwekt dan kwarts, "het heeft het vermogen om te profiteren van de natuurlijke bewegingen van het lichaam gedurende de dag."

Naast het aantrekkelijke vooruitzicht om door het huis te dansen om je iPod van stroom te voorzien, er zijn serieuzere toepassingen in het verschiet. “Het leger heeft veel interesse getoond in het gebruik van piëzo-elektriciteit om energie te benutten, " zegt Achmed, en heeft in feite al geëxperimenteerd met piëzo-elektrische schoenimplantaten die helaas te oncomfortabel bleken voor soldaten om voor langere tijd te dragen. Rubberen PZT-chips kunnen het comfortprobleem misschien oplossen, maar de onderzoekers benadrukken dat er nog veel werk aan de winkel is voordat hun uitvinding op grote schaal in de praktijk kan worden toegepast in de krijgsmacht of elders.

"Momenteel, we hebben eigenlijk een chip van één centimeter met ongeveer 1, 000 draden samen verpakt, ', zegt Achmed. “Dat is een heel efficiënt gebruik van de ruimte, maar de geproduceerde energie is nog steeds relatief minimaal. Maar er is geen reden, technisch sprekend, waarom dit niet kan worden opgeschaald tot een oppervlakte in de orde van grootte van 2 bij 2 inch, ” op dat moment kunt u naar toepassingen in de echte wereld gaan kijken.

Hoewel piëzo-elektrische materialen niet het primaire veld van Ahmad zijn, hij heeft genoten van de aandacht die de bionische boventonen van het onderzoek hebben gegenereerd (dit is de vijfde paper waaraan hij co-auteur is en zijn derde met McAlpine). Bovendien, als een wetenschapper die zich bezighoudt met het toepassen van nanotechnologie in de biogeneeskunde, hij is vooral geïnteresseerd in het potentieel van het werk daar. “Aangezien deze chips zijn omhuld met siliconen, waarvan algemeen wordt erkend dat het niet giftig is voor mensen, er is de mogelijkheid om op een dag deze apparaten in het lichaam te implanteren."

een mogelijkheid, zeggen de wetenschappers, is dat de longbeweging die wordt gegenereerd door de ademhaling mogelijk kan worden "geoogst om een ​​pacemakerbatterij op te laden, waardoor de tijd die nodig is tussen batterijvervangingsoperaties voor patiënten toeneemt."

"Direct, we werken nog steeds aan de fundamentele technologie, ', zegt Achmed. "Maar de vooruitzichten op langere termijn zijn erg spannend."