(Phys.org) — Met één stoot van zijn voet, Zhong Lin Wang verlicht duizend LED-lampen - zonder batterijen of netsnoer. De stroom komt van in wezen dezelfde bron als die kleine vonk die van een vingertop naar een deurknop springt als je over tapijt loopt bij een verkoudheid, droge dag. Wang en zijn onderzoeksteam hebben geleerd deze kracht te oogsten en aan het werk te zetten.

Een professor aan het Georgia Institute of Technology, Wang gebruikt wat technisch bekend staat als het tribo-elektrisch effect om verrassende hoeveelheden elektrisch vermogen te creëren door twee verschillende materialen tegen elkaar aan te wrijven of aan te raken. Hij gelooft dat de ontdekking een nieuwe manier kan bieden om mobiele apparaten zoals sensoren en smartphones van stroom te voorzien door de anders verspilde mechanische energie op te vangen van bronnen zoals lopen, de wind waait, trillingen, oceaangolven of zelfs voorbijrijdende auto's.

Naast het opwekken van stroom, de technologie kan ook een nieuw type zelfaangedreven sensor opleveren, detectie van trillingen mogelijk maken, beweging, waterlekken, explosies – of zelfs regen die valt. Het onderzoek is ondersteund door verschillende sponsors, inclusief de Nationale Wetenschap Fundering; Amerikaanse ministerie van Energie; MANA, onderdeel van het National Institute for Materials in Japan; Koreaans bedrijf Samsung en de Chinese Academie van Wetenschappen. Het onderzoek is gerapporteerd in tijdschriften, waaronder: ACS Nano , Geavanceerde materialen , Angewandte Chemie , Energie- en milieuwetenschappen , Nano-energie en Nano-letters .

"We zijn in staat om kleine hoeveelheden draagbare stroom te leveren voor de huidige mobiele en sensortoepassingen, " zei Wang, een Regents-professor aan de Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Dit opent een energiebron door kracht te halen uit allerlei soorten activiteiten."

In zijn eenvoudigste vorm, de tribo-elektrische generator gebruikt twee vellen ongelijke materialen, één een elektronendonor, de andere een elektronenacceptor. Wanneer de materialen in contact zijn, elektronen stromen van het ene materiaal naar het andere. Als de vellen vervolgens worden gescheiden, één vel bevat een elektrische lading, geïsoleerd door de opening ertussen. Als er dan een elektrische belasting wordt aangesloten op twee elektroden die aan de buitenranden van de twee oppervlakken zijn geplaatst, er zal een kleine stroom vloeien om de ladingen gelijk te maken.

Door het proces continu te herhalen, een wisselstroom kan worden opgewekt. In een variatie op de techniek, de materialen - meestal goedkope flexibele polymeren - produceren stroom als ze tegen elkaar worden gewreven voordat ze worden gescheiden. Er zijn ook generatoren gebouwd die gelijkstroom produceren.

"Het feit dat een elektrische lading kan worden geproduceerd door middel van tribo-elektrificatie is algemeen bekend, Wang legde uit. "Wat we hebben geïntroduceerd, is een kloofscheidingstechniek die een spanningsval veroorzaakt, wat leidt tot een stroom in de externe belasting, waardoor de lading kan worden gebruikt. Deze generator kan willekeurige mechanische energie uit onze omgeving omzetten in elektrische energie."

Sinds hun eerste publicatie over het onderzoek, Wang en zijn onderzoeksteam hebben de vermogensdichtheid van hun tribo-elektrische generator met een factor 100 verhoogd, 000 – meldt dat een vierkante meter enkellaags materiaal nu wel 300 watt kan produceren. Ze hebben ontdekt dat de volumevermogensdichtheid meer dan 400 kilowatt per kubieke meter bereikt bij een efficiëntie van meer dan 50 procent. De onderzoekers hebben het scala aan technieken voor het verzamelen van energie uitgebreid van "power shirts" met zakken van het genererende materiaal tot schoeninzetstukken, fluitjes, voetpedalen, vloermatten, rugzakken en dobbers die op de golven van de oceaan dobberen.

Ze hebben geleerd het vermogen te verhogen door patronen op micronschaal aan te brengen op de polymeerplaten. De patroonvorming vergroot effectief het contactoppervlak en verhoogt daardoor de effectiviteit van de ladingsoverdracht.

Wang en zijn team ontdekten per ongeluk het vermogen om energie op te wekken van het tribo-elektrische effect terwijl ze aan piëzo-elektrische generatoren werkten. die een andere technologie gebruiken. De output van één piëzo-elektrisch apparaat was veel groter dan verwacht, en de oorzaak van de hogere output was te wijten aan een onjuiste montage waardoor twee polymeeroppervlakken tegen elkaar konden wrijven. Zes maanden ontwikkeling leidde in 2012 tot het eerste tijdschriftartikel over de tribo-elektrische generator.

"Als twee materialen fysiek contact hebben, de tribo-elektrificatie optreedt, " zei Wang, die de Hightower-leerstoel bekleedt aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Als ze uit elkaar worden gehaald, er is een spleetafstand gecreëerd. Om de lokale heffing te egaliseren, elektronen moeten stromen. We krijgen hierdoor verrassend hoge spanning en stroom. Vanaf nu, we hebben vier basismodi van tribo-elektrische generatoren ontdekt."

Sinds hun eerste realisatie van de mogelijkheden voor dit effect, Wang's team heeft toepassingen uitgebreid. Ze kunnen nu stroom produceren door contact tussen water – zeewater, kraanwater en zelfs gedestilleerd water - en een polymeeroppervlak met patroon. Hun laatste krant, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano in november, beschreef het oogsten van energie van het touchpad van een laptopcomputer.

Ze gebruiken nu een breed scala aan materialen, inclusief polymeren, stoffen en zelfs papier. De materialen zijn goedkoop, en kan bronnen bevatten zoals gerecyclede drinkflessen. De generatoren kunnen worden gemaakt van bijna transparante polymeren, waardoor ze kunnen worden gebruikt in touchpads en schermen.

Naast het gebruik als stroombron, Wang gebruikt het tribo-elektrisch effect ook om te voelen zonder een externe stroombron. Omdat de generatoren stroom produceren wanneer ze worden verstoord, ze kunnen worden gebruikt om veranderingen in stroomsnelheden te meten, plotselinge beweging, of zelfs vallende regendruppels.

"Als er een mechanische kracht op deze generatoren wordt uitgeoefend, ze zullen een elektrische stroom en spanning produceren, " zei hij. "We kunnen die stroom en spanning meten als elektrische signalen om de omvang van de mechanische agitatie te bepalen. Dergelijke sensoren kunnen worden gebruikt voor monitoring in het verkeer, veiligheid, Milieuwetenschappen, toepassingen in de gezondheidszorg en infrastructuur."

Voor de toekomst, Wang en zijn onderzoeksteam zijn van plan om de generatoren en sensoren te blijven bestuderen om hun output en gevoeligheid te verbeteren. De grootte van het materiaal kan worden opgeschaald, en meerdere lagen kunnen het uitgangsvermogen verhogen.

"Iedereen heeft dit effect gezien, maar we hebben er praktische toepassingen voor kunnen vinden, "zei Wang. "Het is heel eenvoudig, en er is veel meer dat we hiermee kunnen doen."