Door een nieuwe generatie piëzo-elektrische nanogeneratoren te combineren met twee soorten nanodraadsensoren, onderzoekers hebben gemaakt wat wordt beschouwd als de eerste zelfaangedreven sensoren op nanometerschaal die stroom putten uit de omzetting van mechanische energie. De nieuwe apparaten kunnen de pH van vloeistoffen meten of de aanwezigheid van ultraviolet licht detecteren met behulp van elektrische stroom die wordt geproduceerd door mechanische energie in de omgeving.

Gebaseerd op arrays met maar liefst 20, 000 zinkoxide nanodraden in elke nanogenerator, de apparaten kunnen tot 1,2 volt uitgangsspanning produceren, en zijn vervaardigd met een chemisch proces dat is ontworpen om goedkope fabricage op flexibele substraten te vergemakkelijken. Tests gedaan met bijna duizend nanogeneratoren - die geen mechanisch bewegende delen hebben - hebben aangetoond dat ze in de loop van de tijd kunnen worden gebruikt zonder verlies van opwekkingsvermogen.

Details van de verbeterde nanogenerator en zelfaangedreven nanosensoren zouden op 28 maart in het tijdschrift worden gerapporteerd Natuur Nanotechnologie . Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation, de Defense Advanced Research Projects Agency, en het Amerikaanse ministerie van Energie.

"We hebben een robuuste manier aangetoond om energie te oogsten en te gebruiken voor het aandrijven van sensoren op nanometerschaal, " zei Zhong Lin Wang, een Regents-professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "We hebben nu een technologische roadmap om deze nanogeneratoren op te schalen om echt praktische toepassingen te maken."

De afgelopen vijf jaar, Het onderzoeksteam van Wang heeft generatoren op nanoschaal ontwikkeld die gebruikmaken van het piëzo-elektrische effect - dat elektrische ladingen produceert wanneer draden gemaakt van zinkoxide worden belast. De spanning kan worden geproduceerd door eenvoudig de draden te buigen, en stroom van veel draden kan constructief worden gecombineerd om kleine apparaten van stroom te voorzien. De onderzoeksinspanningen waren recentelijk gericht op het verhogen van de hoeveelheid gegenereerde stroom en spanning en op het robuuster maken van de apparaten.

In de krant, Wang en medewerkers rapporteren over een nieuwe configuratie voor de nanodraden die beide uiteinden van de kleine structuren in een polymeersubstraat inbedden. De draden kunnen vervolgens stroom genereren terwijl ze worden gecomprimeerd in een flexibele nanogeneratorbehuizing, het elimineren van het contact met een metalen elektrode die in eerdere apparaten nodig was. Doordat de generatoren volledig omsloten zijn, ze kunnen in verschillende omgevingen worden gebruikt.

"We kunnen de draden nu chemisch laten groeien op substraten die opvouwbaar en flexibel zijn en de verwerking kan nu worden gedaan bij substraattemperaturen van minder dan 100 graden Celsius - ongeveer de temperatuur van koffie, " legde Wang uit. "Dat zal fabricage tegen lagere kosten en groei mogelijk maken op zowat elk substraat."

De nanogeneratoren worden geproduceerd met behulp van een meerstappenproces dat de fabricage van elektroden omvat die zowel Ohmic- als Shottky-contacten voor de nanodraden bieden. De arrays kunnen zowel verticaal als lateraal worden gekweekt. Om stroom en spanning te maximaliseren, de groei en assemblage vereist afstemming van kristallijne groei, evenals de synchronisatie van laad- en ontlaadcycli.

De productie van verticale nanogeneratoren begint met het kweken van zinkoxide-nanodraden op een goudgecoat oppervlak met behulp van een natchemische methode. Op de nanodraden wordt vervolgens een laag polymethylmethacrylaat aangebracht, die ze van boven naar beneden bedekken. Zuurstofplasma-etsing wordt vervolgens uitgevoerd, laat schone punten achter waarop een stuk siliciumwafel bedekt met platina wordt geplaatst. Het gecoate silicium zorgt voor een Shottky-barrière, wat essentieel is voor het in stand houden van de elektrische stroom.

De wisselstroomoutput van de nanogeneratoren hangt af van de hoeveelheid uitgeoefende spanning. "Bij een reksnelheid van minder dan twee procent per seconde, we kunnen een uitgangsspanning van 1,2 volt produceren, " zei Wang. "Het uitgangsvermogen is afgestemd op de externe belasting."

Laterale nanogeneratoren die 700 rijen zinkoxide-nanodraden integreren, produceerden een piekspanning van 1,26 volt bij een spanning van 0,19 procent. In een aparte nanogenerator verticale integratie van drie lagen zinkoxide nanodraadarrays produceerde een piekvermogensdichtheid van 2,7 milliwatt per kubieke centimeter.

Het team van Wang heeft tot nu toe twee kleine sensoren geproduceerd die zijn gebaseerd op zinkoxide-nanodraden en worden aangedreven door de nanogeneratoren. Door de amplitude van spanningsveranderingen over het apparaat te meten bij blootstelling aan verschillende vloeistoffen, de pH-sensor kan de zuurgraad van vloeistoffen meten. Een ultraviolette nanosensor is afhankelijk van vergelijkbare spanningsveranderingen om te detecteren wanneer hij wordt geraakt door ultraviolet licht.

Naast Wang, het team dat de paper schreef, omvatte Sheng Xu, Yong Qin, Chen Xu, Yaguang Wei, en Rusen Wang, allemaal van Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering.

De nieuwe generator en sensoren op nanoschaal openen nieuwe mogelijkheden voor zeer kleine sensorapparaten die zonder batterijen kunnen werken, aangedreven door mechanische energie geoogst uit de omgeving. Energiebronnen kunnen onder meer de beweging van getijden, geluidsgolven, mechanische trillingen, het wapperen van een vlag in de wind, druk van schoenen van een wandelaar of beweging van kleding.

"Het bouwen van kleine apparaten is niet voldoende, Wang merkte op. "We moeten ze ook op een duurzame manier van stroom kunnen voorzien, zodat ze mobiel kunnen zijn. Met behulp van onze nieuwe nanogenerator, we kunnen deze apparaten in de omgeving plaatsen waar ze zelfstandig en duurzaam kunnen werken zonder dat er een batterij nodig is."