MIT-ingenieurs hebben een nieuwe polymeerfilm gemaakt die elektriciteit kan opwekken door gebruik te maken van een alomtegenwoordige bron:waterdamp.

Het nieuwe materiaal verandert van vorm na het absorberen van kleine hoeveelheden verdampt water, waardoor het herhaaldelijk op en neer kan krullen. Het benutten van deze continue beweging kan robotledematen aandrijven of genoeg elektriciteit opwekken om micro- en nano-elektronische apparaten van stroom te voorzien. zoals omgevingssensoren.

"Met een sensor aangedreven door een batterij, je moet het regelmatig vervangen. Als je dit apparaat hebt, u kunt energie uit de omgeving halen, zodat u deze niet vaak hoeft te vervangen, " zegt Mingming Ma, een postdoc aan het David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research van het MIT en hoofdauteur van een paper waarin het nieuwe materiaal wordt beschreven in het nummer van 11 januari van Wetenschap .

"We zijn erg enthousiast over dit nieuwe materiaal, en we verwachten dat naarmate we een hogere efficiëntie bereiken bij het omzetten van mechanische energie in elektriciteit, dit materiaal zal nog bredere toepassingen vinden, " zegt Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor aan het MIT en senior auteur van het artikel. Die potentiële toepassingen omvatten grootschalige, door waterdamp aangedreven generatoren, of kleinere generatoren om draagbare elektronica van stroom te voorzien.

Andere auteurs van het Science paper zijn Koch Institute postdoc Liang Guo en Daniel Anderson, de Samuel A. Goldblith Associate Professor of Chemical Engineering en een lid van het Koch Institute en MIT's Institute for Medical Engineering and Science.

Energie oogsten

De nieuwe film is gemaakt van een in elkaar grijpend netwerk van twee verschillende polymeren. Een van de polymeren, polypyrrool, vormt een harde maar flexibele matrix die structurele ondersteuning biedt. Het andere polymeer, polyolboraat, is een zachte gel die opzwelt als het water opneemt.

Bij eerdere pogingen om films te maken die op water reageren, is alleen polypyrrool gebruikt, die op zichzelf een veel zwakkere reactie vertoont. "Door de twee verschillende soorten polymeren op te nemen, je kunt een veel grotere verplaatsing genereren, evenals een sterkere kracht, ' zegt Guo.

De film haalt energie uit de watergradiënt tussen droge en waterrijke omgevingen. Wanneer de 20 micrometer dikke film op een oppervlak ligt dat zelfs maar een kleine hoeveelheid vocht bevat, de onderste laag absorbeert verdampt water, waardoor de film van het oppervlak wegkrult. Zodra de onderkant van de film is blootgesteld aan lucht, het laat het vocht snel vrij, salto's naar voren, en begint weer op te krullen. Als deze cyclus zich herhaalt, de continue beweging zet de chemische energie van de watergradiënt om in mechanische energie.

Dergelijke films kunnen ofwel als actuatoren (een soort motor) of als generatoren fungeren. Als aanjager, het materiaal kan verrassend krachtig zijn:de onderzoekers toonden aan dat een film van 25 milligram een ​​lading glasplaatjes 380 keer zijn eigen gewicht kan optillen, of vervoer een lading zilverdraad 10 keer zijn eigen gewicht, door te werken als een krachtige, door water aangedreven "minitractor". Met alleen water als energiebron, deze film zou de door elektriciteit aangedreven actuatoren kunnen vervangen die nu worden gebruikt om kleine robotledematen te besturen.

"Hij heeft niet veel water nodig, "zegt ma. "Een heel klein beetje vocht zou voldoende zijn."

Elektriciteit opwekken

De mechanische energie die door het materiaal wordt gegenereerd, kan ook worden omgezet in elektriciteit door de polymeerfilm te koppelen aan een piëzo-elektrisch materiaal, die mechanische spanning omzet in een elektrische lading. Dit systeem kan een gemiddeld vermogen van 5,6 nanowatt genereren, die kunnen worden opgeslagen in condensatoren om micro-elektronische apparaten met ultralaag vermogen van stroom te voorzien, zoals temperatuur- en vochtigheidssensoren.

Indien gebruikt om op grotere schaal elektriciteit op te wekken, de film kan energie uit de omgeving halen, bijvoorbeeld terwijl geplaatst boven een meer of rivier. Of, het kan aan kleding worden bevestigd, waar de loutere verdamping van zweet apparaten zoals fysiologische bewakingssensoren zou kunnen voeden. "Je zou kunnen rennen of sporten en energie opwekken, ' zegt Guo.

Op kleinere schaal, de film kan micro-elektrische mechanische systemen (MEMS) aandrijven, inclusief omgevingssensoren, of zelfs kleinere apparaten, zoals nano-elektronica. De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de efficiëntie van de omzetting van mechanische energie in elektrische energie, waardoor kleinere films grotere apparaten van stroom zouden kunnen voorzien.