Onderzoekers van Clemson's Nanomaterials Institute (CNI) zijn een stap dichter bij het draadloos voeden van de wereld met behulp van tribo-elektriciteit - een groene energiebron.

In maart 2017, een groep natuurkundigen bij CNI vond de ultraeenvoudige tribo-elektrische nanogenerator uit, of U-TENG - een klein apparaatje dat eenvoudig van plastic en tape is gemaakt en dat elektriciteit opwekt uit beweging en trillingen. Wanneer de twee materialen bij elkaar worden gebracht - door in je handen te klappen of met je voeten te tikken, bijvoorbeeld - er wordt een spanning gegenereerd die wordt gedetecteerd door een bedrade, externe kring. Elektrische energie, via het circuit, wordt vervolgens opgeslagen in een condensator of een batterij totdat het nodig is.

Negen maanden later, in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde energiematerialen , hebben de onderzoekers een draadloze versie van TENG ontdekt, genaamd de W-TENG, wat de toepassingen van de technologie enorm uitbreidt.

De W-TENG is ontworpen onder hetzelfde uitgangspunt als de U-TENG, materialen gebruiken die zo tegengesteld zijn in affiniteit voor elektronen dat ze een spanning genereren wanneer ze met elkaar in contact worden gebracht.

In de W-TENG, plastic werd verwisseld voor een meerdelige vezel gemaakt van grafeen - een enkele laag grafiet, of potloodstift - en een biologisch afbreekbaar polymeer dat bekend staat als polymelkzuur (PLA). PLA, op zichzelf, is geweldig voor het scheiden van positieve en negatieve ladingen, maar niet zo goed in het geleiden van elektriciteit - daarom hebben de onderzoekers het gecombineerd met grafeen. Kapton-tape, het elektronengrijpende materiaal van de U-TENG - werd vervangen door Teflon, een verbinding die bekend staat voor het coaten van anti-aanbakpannen.

"We gebruiken teflon omdat het veel fluorgroepen heeft die zeer elektronegatief zijn, terwijl de grafeen-PLA zeer elektropositief is. Dat is een goede manier om hoge spanningen naast elkaar te plaatsen en te creëren, " zei Ramakrishna Podila, corresponderende auteur van de studie en een assistent-professor natuurkunde aan Clemson.

Om grafeen te verkrijgen, de onderzoekers stelden de moederverbinding bloot, grafiet, tot een hoogfrequente geluidsgolf. De geluidsgolf werkt dan als een soort mes, het "spel kaarten" dat grafiet is, in laag na laag grafeen snijden. Dit proces, ultrasoonapparaat genoemd, is hoe CNI de productie van grafeen kan opschalen om te voldoen aan de onderzoeks- en ontwikkelingseisen van de W-TENG en andere nanomateriaal-uitvindingen in ontwikkeling.

Na het assembleren van de grafeen-PLA-vezel, de onderzoekers maakten gebruik van additive manufacturing - ook wel bekend als 3D-printen - om de vezel in een 3D-printer te trekken, en de W-TENG was geboren.

Het eindresultaat is een apparaat dat een maximale spanning van 3000 volt genereert - genoeg om 25 standaard stopcontacten van stroom te voorzien, of op grotere schaal, slim getinte ruiten of een lcd-monitor (liquid crystal display). Omdat de spanning zo hoog is, de W-TENG genereert een elektrisch veld om zich heen dat draadloos kan worden waargenomen. Zijn elektrische energie, te, kunnen draadloos worden opgeslagen in condensatoren en batterijen.

"Het kan je niet alleen energie geven, maar u kunt het elektrische veld ook als bediende afstandsbediening gebruiken. Bijvoorbeeld, je kunt op de W-TENG tikken en het elektrische veld gebruiken als een 'knop' om je garagedeur te openen, of je zou een beveiligingssysteem kunnen activeren - allemaal zonder batterij, passief en draadloos, " zei Sai Sunil Mallineni, de eerste auteur van de studie en een Ph.D. student natuurkunde en sterrenkunde.

De draadloze toepassingen van de W-TENG zijn er in overvloed, uitbreiden naar omgevingen met beperkte middelen, zoals in de ruimte, het midden van de oceaan of zelfs het militaire slagveld. Als zodanig, Podila zegt dat er een duidelijk filantropisch gebruik is voor de uitvinding van het team.

"Verschillende ontwikkelingslanden hebben veel energie nodig, hoewel we in dergelijke instellingen mogelijk geen toegang hebben tot batterijen of stopcontacten, " zei Podila. "De W-TENG zou een van de schonere manieren kunnen zijn om in deze gebieden energie op te wekken."

Het team van onderzoekers, opnieuw geleid door Mallineni, is bezig met het patenteren van de W-TENG via de Clemson University Research Foundation. Professor Apparao Rao, directeur van het Clemson Nanomaterials Institute, is ook in gesprek met industriële partners om te beginnen met de integratie van de W-TENG in energietoepassingen.

Echter, vóór de industriële productie, Podila zegt dat er meer onderzoek wordt gedaan om Teflon te vervangen door een milieuvriendelijker, elektronegatief materiaal. Een kanshebber voor het herontwerp is MXene, een tweedimensionale anorganische verbinding met de geleidbaarheid van een overgangsmetaal en het waterminnende karakter van alcoholen zoals propanol. Yongchang Dong, een andere afgestudeerde student aan CNI, leidde het werk bij het demonstreren van de MXene-TENG, die werd gepubliceerd in een artikel van november 2017 in het tijdschrift Nano-energie . Herbert Behlow en Sriparna Bhattacharya van CNI droegen ook bij aan deze studies.

Zal de W-TENG een impact hebben op het gebied van alternatieve, hernieuwbare energie? Rao zegt dat het op economie neerkomt,

"We kunnen het alleen zover gaan als wetenschappers; de economie moet werken om de W-TENG succesvol te laten zijn, ' zei Rao.