Das ist Wissenschaft: tragbare Elektronik und Triboelektrizität. Teil 1
Wir begrüßen alle Benutzer von GeekTimes, die zu dieser turbulenten Tageszeit wach sind!Noch vor 10 bis 15 Jahren träumten Wissenschaftler und Ingenieure nur davon, dass tragbare Elektronik (Fitnessarmbänder, modische Smartwatches und verschiedene Sensoren) fest im Alltag verankert sein würde. Wir diskutieren bereits heute das Internet der Dinge (IoT) und intelligente Geräte, mit denen wir unser Zuhause über das Internet steuern können.Tatsächlich erleben wir hier und jetzt den Übergang von „tragbarer“ Elektronik zum Stadium „in den menschlichen Körper eingebaut“, wenn dasselbe Fitnessarmband ausreicht, um vor dem Verlassen des Hauses am Handgelenk zu kleben oder um einen Chip mit zusätzlichem Speicher direkt in das Gehirn einzubetten .Noch vor einem Jahr wurde es veröffentlichtArtikel über Triboelektrizität , in dem die Grundprinzipien der sogenannten triboelektrischen Generatoren (TEG) demonstriert wurden. Aufgrund der Fülle an Material (Artikel wurden veröffentlicht und werden weiterhin in beneidenswerter Regelmäßigkeit mit beneidenswerter Regelmäßigkeit veröffentlicht, genau wie Autos aus dem Werk von Henry Ford) folgte ihr bereits eine vollständige Überprüfung dieser Technologie . Aufgrund der Fülle an Material, die sich im letzten Jahr angesammelt hat, wird dieser Artikel in zwei Teile unterteilt, die sich mit zwei Hauptthemen der tragbaren Elektronik befassen: Wo kann man Strom beziehen und welche Geräte können mit dieser Energie betrieben werden?Hier kann beispielsweise der Akku eines modernen Fitnessarmbandes die Hälfte oder sogar mehr als sein Volumen einnehmen. Vielleicht werden wir mit den Elementen oder, ich würde sagen, „Ernährungsweisen“ beginnen.Triboelektrizität ist die Potentialdifferenz und dementsprechend die Ladungstrennung, die auftritt, wenn zwei Materialien aneinander reiben. Dieses Phänomen erinnert etwas an die bekannte statische Elektrizität. Ein Triboelektrizitätsgenerator kann durch eine einfache Kombination von zwei Materialien hergestellt werden, die negativ oder positiv geladen werden können (Tafel a) in der folgenden Abbildung). Einfache Bewegungen wie Biegen, Dehnen und Komprimieren verschieben die beiden ausgewählten Materialien, was zu einer Potentialdifferenz führt, und wenn Sie möchten, wird die Ladung zwischen den Materialien in Kontakt umverteilt, bei denen es sich im Wesentlichen um elektrischen Strom handelt (Tafel b).– (, ) .
a) Beispiele für die gebräuchlichsten triboelektrischen Materialien, die positive und negative Ladungen akkumulieren können. b) Eine schematische Beschreibung des Funktionsprinzips eines triboelektrischen Generators (TEG). c) Die Hauptanwendungsbereiche triboelektrischer Generatoren - von intelligenten Objektiven über das Laden intelligenter Uhren und Brillen bis hin zur erforderlichen Leistung des Generators.Derzeit sind koreanische Forscher aktiv an diesen Entwicklungen beteiligt, die bereits eine große Anzahl der verschiedensten triboelektrischen Generatoren entwickelt haben, die Leistungswerte von Bruchteilen von MikroW / cm 2 (über die wir in der vorherigen Überprüfung gesprochen haben ) bis zu Dutzenden von W / cm 2 abdeckenSie sehen, das reicht bereits aus, um intelligente Brillen oder Uhren anzutreiben. Lassen Sie uns einige interessante Beispiele in diesem Bereich etwas detaillierter behandeln.Der Übersichtsartikel Triboelektrische Generatoren und Sensoren für tragbare Elektronik mit eigener Stromversorgung wurde in ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b01478 ) veröffentlicht.Textilien als Basis für triboelektrische Generatoren
Haben Sie sich jemals gefragt, wie oft am Tag unsere Kleidung gebogen, gequetscht und gedehnt wird, wenn wir uns bewegen?! Es scheint uns jedoch unbedeutend, dass die während der Verformung der Kleidung erzeugte Elektrizität durchaus ausreicht, um ein Fitnessarmband oder Sensoren am Körper aufzuladen.Beispielsweise haben Forscher des in Südkorea ansässigen Zentrums für Nanotechnologie an menschlichen Schnittstellen zusammen mit ihren Kollegen vom australischen Institut für supraleitende und elektronische Materialien ein spezielles Textilmaterial entwickelt, mit dem Sie die mechanische Energie von Bewegungen in elektrische Energie umwandeln können.Zur Herstellung eines solchen triboelektrischen Nanogenerators (TriboElectric NanoGenerator - TENG) wurde ein leitfähiges Gewebe verwendet, auf das dann Zinkoxidstäbe (ZnO) aufgebracht wurden, die mit einer polymeren Dimethylsiloxan-Isolierhülle (PDMS) beschichtet waren . Die resultierenden Textilien können bis zu 12.000 Belastungszyklen (Quetschen) standhalten und gleichzeitig etwa 170 V und 65 MikroA erzeugen, was einer Leistung von 1,1 mW entspricht. In diesem Fall beträgt die erforderliche Kraft nur 10 kgf (~ 100 H).(ab) Schematische Darstellung des erzeugten Gewebes: TENG wurde zwischen Schichten aus silber strukturiertem, mit anderen Worten leitfähigem Textil platziert. (c-d) Fotografien eines realen Prototyps auf Mikro- bzw. Makroebene.Das Funktionsprinzip des Geräts ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Beim Zusammendrücken berühren sich zwei Schichten des Geräts (a), wobei die Ladungen (b) neu verteilt werden und elektrischen Strom verursachen, wenn wir den externen Effekt (c) abschwächen. Dann kehrt das System in den Gleichgewichtszustand (d) zurück und beim nächsten Drücken fließt der Strom bereits in die entgegengesetzte Richtung (e).Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Betrieb des triboelektrischen Nanogenerators (TENG).Das resultierende Textil unterscheidet sich in seinen Eigenschaften nicht wesentlich von gewöhnlichen Geweben. Es kann als Armband (noch ?!) In Kleidung eingebettet werden und zur Stromversorgung verschiedener Geräte verwendet werden, die in intelligente Kleidung eingebaut sind - zum Beispiel verschiedene Erkennungszeichen oder sogar eine Fernbedienung von einem Auto aus!Die Einführung triboelektrischer Nanogeneratoren am Beispiel intelligenter KleidungDer Originalartikel „Tragbarer triboelektrischer Nanogenerator auf Basis von Textilien auf Textilbasis“ ist in ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn507221f ) veröffentlicht.Eine andere Gruppe südkoreanischer Wissenschaftler der Universitäten Ulsan (Ulsan Nationales Institut für Wissenschaft und Technologie) und Suwon (Sungkyunkwan University) schlug zusammen mit ihren amerikanischen Kollegen aus Atlanta (Georgia Institute of Technology) einen Weg vor, aus verschiedenen strukturierten Stoffen ein Nicht-Sandwich herzustellen, wie wir zuvor gesehen haben. und die Fasern selbst, die bereits in irgendeinen Stoff eingewebt sind (in dem beschriebenen Artikel wurde wasserabweisender Stoff verwendet).Die Basis solcher Fasern ist Aluminiumfolie mit einer nanostrukturierten Schicht aus demselben isolierenden Polymer PDMS und einem mit Zinkoxidstäben ZnO beschichteten Aluminiumdraht in Mikrogröße.Eine schematische Darstellung eines neuen Fadentyps, der in einen Stoff eingewebt wurde, um triboelektrische Generatoren zu erzeugen - so etwas wie ein Wurm, der Erntemaschinen aus Dune 2000 absorbiert, nicht wahr ?!Diese Entwicklung hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel ist es nicht notwendig, eine neue Art von Stoff und eine neue Produktion zu schaffen, es reicht aus, nur die erhaltenen Fasern in fast jedes moderne Gewebematerial zu verweben. Andererseits gelang es den Forschern, selbst für einzelne Fasern eine Leistung von etwa 4 mW (40 V bei einem Strom von 120 MikroA) zu erreichen, während sich das Material in eine Richtung auf 25% dehnen kann.Elektrische Eigenschaften der erhaltenen triboelektrischen GewebeprobenDarüber hinaus kann das erhaltene triboelektrische Gewebe gleichzeitig als Sensor verwendet werden, da der erzeugte Strom proportional zum Dehnungsgrad ist. Diese Entwicklung wird mit hoher Wahrscheinlichkeit für Sportler und Mediziner von Interesse sein, um die Bewegungen von Sportlern und Patienten genau erfassen zu können.Bewegungssensor für triboelektrische Gewebe: Strom proportional zur ZugfestigkeitDer Originalartikel , Hochdehnbare 2D-Gewebe für tragbare triboelektrische Nanogeneratoren in rauen Umgebungen, ist in ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b02010 ) veröffentlicht.Hohe Leistung für Smartwatches
Und schließlich kamen wir zu den leistungsstärksten Geräten, die auf triboelektrischen Generatoren basieren. Chinesischen Forschern und ihren amerikanischen Mitarbeitern gelang es, ein TEG zu erstellen, das bei einem Strom von 10 4 A / m 2 eine Leistung von bis zu 10 4 W / m 2 erzeugt . Dies ist heute ein absoluter Rekord für solche Geräte! Eine Version eines solchen triboelektrischen Generators ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Dies ist das sogenannte Rotations-TEG, bei dem nach Ansicht von Wissenschaftlern eine längere Kontaktzeit der „Elektroden“ erreicht wird, um die akkumulierte Ladung zu entfernen, und folglich der Strom proportional ansteigt.a) Diagramm des vorgestellten Geräts. b) Die Abhängigkeit des erzeugten Stroms von der Drehzahl. c) Erzeugter Strom bei 1600 U / min und eine externe Last von 500 Ohm, die nach der Diodenbrücke installiert ist.Erstellt von TEG ist ziemlich kompakt. Die Fläche zweier rotierender Ebenen beträgt nur 25 cm 2 (dh die linearen Abmessungen eines solchen Generators betragen 5 bis 7 cm).Schematische Darstellung des Geräts basierend auf dem vorgestellten triboelektrischen GeneratorEs ist zu hoffen, dass durch weitere Entwicklungen in diesem Bereich ein noch leistungsstärkerer, aber gleichzeitig ein triboelektrischer Miniaturgenerator für die Integration in vorhandene tragbare Geräte geschaffen wird.Der Originalartikel Pulsed Nanogenerator mit großer momentaner Ausgangsleistungsdichte ist in ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn403151t ) veröffentlicht.Anstelle von Ausgabe
So haben wir heute die wichtigsten Errungenschaften auf dem Gebiet der Entwicklung triboelektrischer Generatoren kennengelernt, die einen weiten Bereich elektrischer Leistungskapazitäten abdecken: von mW / m 2 bis W / m 2 (und in einigen Fällen Kilowatt!). In den letzten zwei Jahren wurden viele Artikel veröffentlicht, die Generatoren selbst haben sich von einer riesigen Schachtel zu Miniaturfasern entwickelt, die zu gewöhnlichem Stoff verwoben sind. Und wenn wir die Koreaner kennen, können wir sicher sein, dass triboelektrische Generatoren in echten Smartphones oder Fitnessarmbändern unmittelbar bevorstehen.Kommt Zeit, kommt Rat!Und im nächsten Teil wenden wir uns Beispielen für echte tragbare Elektronik zu, die bereits in Laboratorien hergestellt wurden und an den Türen der Ingenieurbüros der Mikroelektronikhersteller in der Schlange stehen.Abonnieren Sie unseren Informationskanal (es ist nicht schwer für Sie - wir freuen uns) und bleiben Sie über interessante Neuigkeiten auf dem Laufenden.PS: An diesem bedeutenden Tag haben wir die Prestigio-Seite zu GT geöffnet . Einige der Community-Mitglieder kennen und verwenden Prestigio-Geräte und -Produkte bereits, andere haben sie noch nicht kennengelernt. Wir werden natürlich helfen, aber wir planen, über die unterschiedlichsten Themen zu schreiben: von tragbarer Elektronik bis hin zu einer ehrlichen Bewertung der Produkte.
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