Knipperende cijfers op een liquid-crystal display (LCD) geven vaak aan dat de klok van een apparaat opnieuw moet worden ingesteld. Maar in het laboratorium van Zhong Lin Wang van Georgia Tech, het knipperende getal op een klein LCD-scherm duidt op het succes van een vijfjarige inspanning om conventionele elektronische apparaten van stroom te voorzien met generatoren op nanoschaal die mechanische energie uit de omgeving halen met behulp van een reeks kleine nanodraden.

In dit geval, de mechanische energie komt van het comprimeren van een nanogenerator tussen twee vingers, maar het kan ook uit een hartslag komen, het bonzen van een wandelschoen op een pad, het ritselen van een hemd, of de trilling van een zware machine. Hoewel deze nanogeneratoren nooit grote hoeveelheden elektriciteit zullen produceren voor conventionele doeleinden, ze kunnen worden gebruikt om apparaten op nanoschaal en microschaal van stroom te voorzien - en zelfs om pacemakers of iPods op te laden.

Wang's nanogeneratoren vertrouwen op het piëzo-elektrische effect dat wordt gezien in kristallijne materialen zoals zinkoxide, waarin een elektrische ladingspotentiaal wordt gecreëerd wanneer structuren gemaakt van het materiaal worden gebogen of samengedrukt. Door de ladingen van miljoenen van deze zinkoxidedraden op nanoschaal te vangen en te combineren, Wang en zijn onderzoeksteam kunnen tot drie volt produceren - en tot 300 nanoampère.

"Door ons ontwerp te vereenvoudigen, het robuuster maken en de bijdragen van veel meer nanodraden integreren, we hebben met succes de output van onze nanogenerator voldoende opgevoerd om apparaten zoals commerciële LCD-schermen aan te drijven, lichtemitterende diodes en laserdiodes, " zei Wang, een Regents' professor in Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Als we dit tempo van verbetering kunnen volhouden, we zullen enkele echte toepassingen bereiken in apparaten voor de gezondheidszorg, persoonlijke elektronica, of milieumonitoring."

Recente verbeteringen in de nanogeneratoren, inclusief een eenvoudiger fabricagetechniek, werden vorige week online gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters . Eerdere artikelen in hetzelfde tijdschrift en in Nature Communications meldden andere vorderingen voor het werk, die is ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), het Amerikaanse ministerie van Energie, de Amerikaanse luchtmacht, en de National Science Foundation.

"We zijn geïnteresseerd in zeer kleine apparaten die kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals gezondheidszorg, milieumonitoring en persoonlijke elektronica, "zei Wang. "Hoe deze apparaten van stroom te voorzien is een kritieke kwestie."

De vroegste zinkoxide-nanogeneratoren gebruikten arrays van nanodraden die op een stijf substraat waren gegroeid en bedekt met een metalen elektrode. Latere versies verankerden beide uiteinden van de nanodraden in polymeer en produceerden stroom door eenvoudig te buigen. Ongeacht de configuratie, de apparaten vereisten een zorgvuldige groei van de nanodraadarrays en een nauwgezette montage.

In de laatste krant Wang en zijn groepsleden Youfan Hu, Yan Zhang, Chen Xu, Guang Zhu en Zetang Li rapporteerden over veel eenvoudiger fabricagetechnieken. Eerst, ze kweekten arrays van een nieuw type nanodraad met een conische vorm. Deze draden werden uit hun groeisubstraat gesneden en in een alcoholoplossing geplaatst.

De oplossing met de nanodraden werd vervolgens op een dunne metalen elektrode en een vel flexibele polymeerfilm gedruppeld. Nadat de alcohol was gedroogd, een andere laag is gemaakt. Meerdere nanodraad/polymeerlagen werden opgebouwd tot een soort composiet, met behulp van een proces dat volgens Wang kan worden opgeschaald naar industriële productie.

Wanneer gebogen, deze nanodraadsandwiches - die ongeveer twee centimeter bij 1,5 centimeter zijn - genereerden genoeg stroom om een ​​commercieel display aan te drijven dat geleend was van een zakrekenmachine.

Wang zegt dat de nanogeneratoren nu bijna genoeg stroom produceren voor een zelfaangedreven systeem dat de omgeving zou kunnen controleren op een giftig gas. bijvoorbeeld, dan een waarschuwing uitzenden. Het systeem zou condensatoren bevatten die de kleine ladingen kunnen opslaan totdat er voldoende stroom beschikbaar is om een ​​uitbarsting van gegevens te verzenden.

Hoewel zelfs het huidige uitgangsvermogen van de nanogenerator onder het niveau blijft dat vereist is voor apparaten als iPods of pacemakers, Wang denkt dat die niveaus binnen drie tot vijf jaar zullen worden bereikt. De huidige nanogenerator, hij merkt op, is bijna 100 keer krachtiger dan wat zijn groep slechts een jaar geleden had ontwikkeld.

Schrijven in een apart artikel gepubliceerd in oktober in het tijdschrift Nature Communications, groepsleden Sheng Xu, Benjamin J. Hansen en Wang rapporteerden over een nieuwe techniek voor het vervaardigen van piëzo-elektrische nanodraden uit loodzirkonaattitanaat - ook bekend als PZT. Het materiaal wordt al industrieel gebruikt, maar is moeilijk te kweken omdat het temperaturen van 650 graden Celsius vereist.

In de krant, Wang's team rapporteerde de eerste chemische epitaxiale groei van verticaal uitgelijnde eenkristal nanodraadarrays van PZT op een verscheidenheid aan geleidende en niet-geleidende substraten. Ze gebruikten een proces dat bekend staat als hydrothermische ontleding, die plaatsvond bij slechts 230 graden Celsius.

Met een gelijkrichtschakeling om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom, gebruikten de onderzoekers de PZT-nanogeneratoren om een ​​commerciële laserdiode van stroom te voorzien, demonstreren van een alternatief materiaalsysteem voor Wang's nanogeneratorfamilie. "Dit geeft ons de flexibiliteit om het beste materiaal en proces te kiezen voor de gegeven behoefte, hoewel de prestaties van PZT niet zo goed zijn als zinkoxide voor energieopwekking, " hij legde uit.

En in een ander artikel gepubliceerd in Nano-letters , Wang en groepsleden Guang Zhu, Rusen Yang en Sihong Wang rapporteerden over nog een andere vooruitgang die de output van nanogeneratoren verhoogt. Hun aanpak, genaamd "schaalbaar vegen afdrukken, " omvat een proces in twee stappen van (1) het overbrengen van verticaal uitgelijnde zinkoxide-nanodraden naar een polymeerontvangend substraat om horizontale arrays te vormen en (2) het aanbrengen van parallelle stripelektroden om alle nanodraden met elkaar te verbinden.

Met behulp van een enkele laag van deze structuur, de onderzoekers produceerden een nullastspanning van 2,03 volt en een piekvermogensdichtheid van ongeveer 11 milliwatt per kubieke centimeter.

"Vanaf het begin in 2005 tot vandaag, we hebben de output van onze nanogeneratoren drastisch verbeterd, Wang merkte op. "We zijn binnen het bereik van wat nodig is. Als we deze kleine onderdelen kunnen aandrijven, Ik denk dat we in de nabije toekomst in staat zullen zijn om kleine systemen van stroom te voorzien. In de komende vijf jaar zal Ik hoop dat dit in de toepassing wordt omgezet."