Autonomie is een langverwacht kenmerk van microsystemen van de volgende generatie, zoals afstandssensoren, draagbare elektronische gadgets, implanteerbare biosensoren en nanorobots. KAUST-onderzoekers onder leiding van Husam Alshareef, Jr-Hau He en Khaled Salama hebben kleine stand-alone apparaten ontwikkeld door onderhoudsvrije stroomaggregaten te integreren die hun eigen brandstof produceren en gebruiken in plaats van te vertrouwen op een externe stroombron.

Tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG's) vangen mechanische energie uit hun omgeving, zoals trillingen en willekeurige bewegingen geproduceerd door mensen, en zet het om in elektriciteit. In deze kleine generatoren, wrijvingscontact tussen materialen van verschillende polariteit creëert tegengesteld geladen oppervlakken. Herhaalde wrijving zorgt ervoor dat elektronen tussen deze oppervlakken springen, resulterend in elektrische spanning.

"We hebben dit tribo-elektrisch effect gebruikt om energie te halen uit eenvoudige bewegingen, zoals handgeklap, vingertikken en routinematige handbewegingen, om verschillende soorten sensoren aan te drijven, ' zegt Alshareef.

De onderzoekers hebben een zelfaangedreven fotodetector ontwikkeld door het op siliconen gebaseerde polymeer polydimethylsiloxaan (PDMS) als een TENG te koppelen aan een materiaal dat organometaalhalogenide perovskiet wordt genoemd. Het op loodhalogenide gebaseerde materiaal heeft opto-elektronische eigenschappen die wenselijk zijn in zonnecellen en lichtemitterende diodes.

Om hun ontwerp te stroomlijnen en de noodzaak voor een bewegingsactuator te elimineren, Zijn team heeft de fotodetector gefabriceerd met behulp van twee meerlagige platen op polymeerbasis, gescheiden door een kleine opening. Eén vel bevatte de ultradunne film van perovskiet, terwijl het andere een PDMS-laag bevatte. Door de opening kon het team het tribo-elektrische effect benutten toen het apparaat werd geactiveerd door met de vinger te tikken.

"Het zelfaangedreven apparaat reageerde uitstekend op invallend licht, vooral bij blootstelling aan licht van lage intensiteit, " zegt Mark Leung, de hoofdauteur van de fotodetectorstudie. Vanwege de flexibele en transparante polymeercomponenten, het behield ook zijn prestaties na te zijn gebogen 1, 000 keer en ongeacht de oriëntatie van het invallende licht.

De grenzen verder verleggen, de onderzoekers ontwikkelden een draagbare, zelfaangedreven armband die de omgezette mechanische energie kan opslaan door een in koolstofvezel ingebedde siliconen nanogenerator te combineren met MXene microsupercapacitors².

Ze integreerden nanogenerator en geminiaturiseerde elektrochemische condensatoren in een enkel monolithisch apparaat ingekapseld in siliconenrubber. De lekvrije en rekbare schaal zorgde voor een flexibele en zachte armband die zich volledig aan het lichaam aanpaste. Fluctuaties in de huid-siliconenscheiding veranderden de ladingsbalans tussen elektroden, waardoor de elektronen heen en weer over de TENG stromen en de microsupercondensator wordt opgeladen.

Naast het vertonen van een langere levensduur en korte oplaadtijd, MXene-microsupercondensatoren kunnen in een bepaald gebied meer energie verzamelen dan dunnefilm- en microbatterijen, het aanbieden van snellere en effectievere kleinschalige energieopslagunits voor door TENG opgewekte elektriciteit. Wanneer actief, de armband kan de opgeslagen energie gebruiken om verschillende elektronische apparaten te bedienen, zoals horloges en thermometers.

"Ons uiteindelijke doel is om een ​​zelfaangedreven sensorplatform te ontwikkelen voor gepersonaliseerde gezondheidsmonitoring, " zegt promovendus Qiu Jiang, de hoofdauteur van het zelfopladende bandproject. Het team is nu van plan om sensoren in het systeem te introduceren om biomarkers in menselijk zweet te detecteren.