Stel je een apparaat voor dat bestand is tegen zelfs de meest intense branden, zodat het anderen automatisch kan signaleren wanneer een brandweerman tijdens het werk stilstaat.

UCLA-onderzoekers en collega's van twee andere universiteiten hebben de eerste brandvertragende, zelfdovende bewegingssensor en stroomgenerator. Het apparaat, dat is de grootte van een kwart, kan worden ingebed in schoenen of kleding gedragen door brandweerlieden, olieboorders of andere mensen wiens werk te maken heeft met extreme temperaturen of ruwe omgevingen.

Het onderzoek, die werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano-energie , werd geleid door Richard Kaner, UCLA's Dr. Myung Ki Hong Endowed Chair in Materials Innovation en lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA.

De zelfaangedreven sensor is een soort tribo-elektrische nanogenerator. Tribo-elektrisch opladen genereert energie uit de uitwisseling van elektronen wanneer het ene materiaal tegen het andere wrijft - in dit geval het apparaat zelf en de kleding of huid van de drager, of het apparaat en de grond. Het fenomeen is hetzelfde als het fenomeen dat een elektrische schok veroorzaakt wanneer je een deurknop aanraakt nadat je met je voeten over een tapijt hebt gewreven.

Het apparaat, die de wetenschappers FRTENG noemden (voor "brandvertragende tribo-elektrische nanogenerator"), kan detecteren wanneer dragers in gevaar of gehandicapt zijn, omdat het het verschil kan voelen tussen lopen, rennen, springen en stilte.

"Verschillende bewegingen creëren elektrische signalen met verschillende spanningen en stromen, " zei Maher El-Kady, een assistent-onderzoeker aan de UCLA en co-auteur van de studie. "Die verschillende stromen stellen ons in staat om te identificeren of en hoe iemand beweegt, zodat het apparaat kan worden geïntegreerd in de schoenen van een brandweerman, bijvoorbeeld, en stuur draadloos een hulpsignaal in geval van nood."

Tribo-elektrische nanogerators bestaan ​​al, maar omdat ze materialen gebruiken zoals brandbare kunststoffen en textiel, huidige modellen zijn niet bestand tegen vuur of extreme temperaturen, zei Kaner, die ook een vooraanstaand hoogleraar scheikunde en biochemie is, en van materiaalkunde en techniek.

Om dat obstakel te overwinnen, het nieuwe apparaat is gemaakt van een koolstofaerogel die de onderzoekers hebben uitgevonden. De aerogel is zowel extreem licht - 95 procent van het volume is lucht - als stabiel bij hoge temperaturen, waardoor het ideaal is voor gebruik in een brandvertragend apparaat.

"De carbon aerogel geleidt elektriciteit efficiënt en bevat materialen die milieuvriendelijk zijn, "Zei El-Kady. "Omdat de aerogel zo licht is, de drager zou het apparaat niet eens voelen."

Om de aerogel te vormen, de onderzoekers mengden twee chemicaliën, formaldehyde en resorcinol, met polyacrylonitrilvezels en grafeenoxideplaten die slechts nanometer dik waren - een nanometer is gelijk aan een miljardste van een meter, of ongeveer 1/75, 000ste van de breedte van een mensenhaar - om een ​​gel te creëren. De nanovezels en nanosheets bieden ondersteuning voor het ultralichte materiaal.

Vervolgens droogden ze de gel om de vloeibare inhoud te verwijderen, en verwarmde het in een kleine kamer gevuld met waterstof, waardoor een duurzaam maar lichtgewicht carbon aerogel nanocomposiet achterblijft.

"Met behulp van tribo-elektrisch opladen, de carbon aerogel fungeert als bewegingssensor en stroomgenerator, " zei Abdelsalam Ahmed, de eerste auteur van de studie, een gastonderzoeker aan de McMaster University. "In tegenstelling tot traditionele sensoren die voor hun vermogen afhankelijk zijn van batterijen, het nieuwe apparaat kan voor onbepaalde tijd werken zonder dat er stroombronnen nodig zijn."

Om de brandwerendheid van het apparaat te testen, de wetenschappers stelden het gedurende 90 seconden bloot aan een butaanvlam. Ze ontdekten dat het niet alleen het vuur niet verspreidde, maar dat het zelfdovend was. En, zelfs bij 200 graden Celsius, de structuur van het apparaat werd behouden en de elektrische output bleef stabiel. Bij die temperatuur, de meeste conventionele tribo-elektrische apparaten verliezen hun prestaties of vatten zelfs vlam, zei Kaner.

El-Kady zei dat het nieuwe apparaat ook nuttig kan zijn bij ruimtemissies - om de vitale functies van astronauten te volgen of om noodstroom te genereren, bijvoorbeeld. Extreme temperaturen verhinderen vaak het gebruik van andere elektronische apparaten tijdens ruimtevluchten.