Onderzoekers hebben nog een andere manier ontdekt om kleine hoeveelheden elektriciteit uit beweging in de wereld om ons heen te halen - dit keer door de elektrische lading op te vangen die wordt geproduceerd wanneer twee verschillende soorten plastic materialen tegen elkaar wrijven. Gebaseerd op flexibele polymeermaterialen, deze "tribo-elektrische" generator zou wisselstroom (AC) kunnen leveren bij activiteiten zoals wandelen.

De tribo-elektrische generator zou het vermogen kunnen aanvullen dat wordt geproduceerd door nanogeneratoren die het piëzo-elektrische effect gebruiken om stroom te creëren uit de buiging van zinkoxide-nanodraden. En omdat deze tribo-elektrische generatoren bijna transparant kunnen worden gemaakt, ze zouden een nieuwe manier kunnen bieden om actieve sensoren te produceren die de technologie kunnen vervangen die nu wordt gebruikt voor aanraakgevoelige apparaatschermen.

"Het feit dat een elektrische lading kan worden geproduceerd door dit principe is algemeen bekend, " zei Zhong Lin Wang, een Regents-professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Wat we hebben geïntroduceerd, is een techniek voor het scheiden van gaten die een spanningsval veroorzaakt, wat leidt tot een stroom, waardoor de lading kan worden gebruikt. Deze generator kan willekeurige mechanische energie uit onze omgeving omzetten in elektrische energie."

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation, het ministerie van Energie en de Amerikaanse luchtmacht. Details werden gerapporteerd in het juninummer van het tijdschrift Nano-letters . Naast Wang, auteurs van het artikel waren onder meer Feng-Ru Fan, Lange Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu en Rui Zhang van Georgia Tech. Fan is ook verbonden aan het State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces aan de Xiamen University in China.

De tribo-elektrische generator werkt wanneer een laag polyester tegen een laag van polydimethysiloxaan (PDMS) wrijft. De polyester heeft de neiging om elektronen af ​​te staan, terwijl de PDMS elektronen accepteert. Onmiddellijk nadat de polymeeroppervlakken tegen elkaar wrijven, ze zijn mechanisch gescheiden, het creëren van een luchtspleet die de lading op het PDMS-oppervlak isoleert en een dipoolmoment vormt.

Als er dan een elektrische belasting is aangesloten tussen de twee oppervlakken, er zal een kleine stroom vloeien om het laadpotentiaal gelijk te maken. Door de oppervlakken continu tegen elkaar te wrijven en ze vervolgens snel te scheiden, de generator kan een kleine wisselstroom leveren. Een externe vervorming wordt gebruikt om de oppervlakken tegen elkaar te drukken en ze te schuiven om de wrijvende beweging te creëren.

"Om dit te laten werken, je moet twee verschillende soorten materialen gebruiken om de verschillende elektroden te maken, Wang legde uit. "Als je oppervlakken van hetzelfde materiaal tegen elkaar wrijft, je krijgt het ladingsverschil niet."

De techniek kan ook worden gebruikt om een ​​zeer gevoelige, zelfaangedreven actieve druksensor te maken voor mogelijk gebruik met organische elektronische of opto-elektronische systemen. De kracht van een veer of waterdruppel die het oppervlak van de tribo-elektrische generator raakt, produceert een kleine stroom die kan worden gedetecteerd om het contact aan te geven. De sensoren kunnen een druk van ongeveer 13 millipascal detecteren.

Doordat de apparaten voor ongeveer 75 procent transparant gemaakt kunnen worden, ze kunnen mogelijk worden gebruikt in aanraakschermen om bestaande sensoren te vervangen. "Transparante generatoren kunnen op vrijwel elk oppervlak worden gefabriceerd, "zei Wang. "Deze techniek kan worden gebruikt om zeer gevoelige transparante sensoren te maken die geen stroom van de batterij van een apparaat nodig hebben."

Terwijl gladde oppervlakken die tegen elkaar wrijven wel lading genereren, Wang en zijn onderzoeksteam hebben de huidige productie verhoogd door oppervlakken met micropatronen te gebruiken. Ze bestudeerden drie verschillende soorten oppervlaktepatronen:lijnen, kubussen en piramides - en ontdekte dat het plaatsen van piramidevormen op een van de wrijvende oppervlakken de meeste elektrische stroom opwekte:wel 18 volt bij ongeveer 0,13 microampère per vierkante centimeter.

Wang zei dat de patroonvorming de opwekkingscapaciteit verbeterde door de hoeveelheid gevormde lading te vergroten, het verbeteren van de capaciteitsverandering als gevolg van de luchtholtes die tussen de patronen worden gecreëerd, en door ladingsscheiding te vergemakkelijken.

Om de tribo-elektrische generatoren te fabriceren, de onderzoekers begonnen met het maken van een mal van een siliciumwafel waarop de wrijvingsverhogende patronen worden gevormd met behulp van traditionele fotolithografie en een droog of nat etsproces. de mallen, waarin de kenmerken van de patronen in uitsparing worden gevormd, werden vervolgens behandeld met een chemische stof om te voorkomen dat de PDMS blijft plakken.

Het vloeibare PDMS-elastomeer en cross-linker werden vervolgens gemengd en spin-coated op de mal, en na thermische uitharding, afgepeld als een dunne film. De PDMS-film met patroon werd vervolgens bevestigd op een elektrode-oppervlak gemaakt van indiumtinoxide (ITO) bekleed met polyethyleentereftalaat (PET) door een dunne PDMS-bindingslaag. De gehele structuur werd vervolgens bedekt met een andere ITO-gecoate PET-film om een ​​sandwichstructuur te vormen.

"Het hele voorbereidingsproces is eenvoudig en goedkoop, opschaling mogelijk maken voor grootschalige productie en praktische toepassingen, " Wang said.

The generators are robust, continuing to produce current even after days of use – and more than 100, 000 cycles of operation, zei Wang. The next step in the research will be to create systems that include storage mechanisms for the current generated.

"Friction is everywhere, so this principle could be used in a lot of applications, " Wang added. "We are combining our earlier nanogenerator and this new triboelectric generator for complementary purposes. The triboelectric generator won't replace the zinc oxide nanogenerator, but it has its own unique advantages that will allow us to use them in parallel."