Esto es ciencia: electrónica portátil y triboelectricidad. Parte 1
¡Damos la bienvenida a todos los usuarios de GeekTimes que están despiertos en este momento turbulento del día!Incluso hace unos 10-15 años, los científicos e ingenieros solo soñaron que los dispositivos electrónicos portátiles (pulseras de fitness, relojes inteligentes de moda y varios sensores) se basarán firmemente en la vida cotidiana. Hoy, ya estamos discutiendo el Internet de las cosas (IoT) y los dispositivos inteligentes que pueden usarse para controlar nuestro hogar a través de Internet.De hecho, aquí y ahora estamos presenciando la transición de la electrónica "portátil" a la etapa "integrada en el cuerpo humano", cuando el mismo brazalete de fitness será suficiente para pegarse en la muñeca antes de salir de la casa, o para insertar un chip con memoria adicional directamente en el cerebro .Hace solo un año se publicóartículo sobre triboelectricidad , en el que se demostraron los principios básicos de los llamados generadores triboeléctricos (TEG). Después de ella, debido a la abundancia de material (se publicaron artículos y se siguen publicando en las revistas científicas más prestigiosas con una envidiable regularidad, al igual que los automóviles de la fábrica Henry Ford), ya se siguió una revisión completa sobre esta tecnología . Por lo tanto, debido a la abundancia de material acumulado durante el año pasado, este artículo se dividirá en dos partes dedicadas a dos temas principales de la electrónica portátil: de hecho, de dónde obtener electricidad y qué dispositivos pueden alimentarse con esta energía.Aquí, por ejemplo, la batería de una pulsera de fitness moderna puede ocupar la mitad o incluso más que su volumen. Quizás, con los elementos o, yo diría, "formas" de nutrición, comencemos.La triboelectricidad es la diferencia potencial y, en consecuencia, la separación de cargas que ocurre cuando dos materiales se rozan entre sí. Este fenómeno es algo que recuerda a la conocida electricidad estática. Un generador de triboelectricidad se puede hacer mediante una combinación simple de dos materiales que se pueden cargar de forma negativa o positiva (panel a) en la figura a continuación). Movimientos simples, como flexión, estiramiento y compresión, desplazan los dos materiales seleccionados, lo que genera una diferencia de potencial y, si lo desea, la carga se redistribuye entre los materiales en contacto, que es esencialmente una corriente eléctrica. (panel b).– (, ) .
a) Ejemplos de los materiales triboeléctricos más comunes capaces de acumular cargas positivas y negativas. b) Una descripción esquemática del principio de funcionamiento de un generador triboeléctrico (TEG). c) Los principales sectores de aplicación de generadores triboeléctricos, desde lentes inteligentes hasta carga de relojes y gafas inteligentes, así como el nivel de potencia requerido del generador.Actualmente, los investigadores coreanos participan activamente en estos desarrollos, que ya han creado una gran cantidad de los generadores triboeléctricos más diversos, que cubren valores de potencia desde fracciones de microW / cm 2 (hablamos de ellos en la revisión anterior ) hasta decenas de W / cm 2, que, como puede ver, ya es suficiente para alimentar gafas o relojes inteligentes. Bueno, hablemos de algunos ejemplos interesantes en esta área con un poco más de detalle.El artículo de revisión , Generadores y sensores triboeléctricos para electrónica portátil autoalimentada , se publica en ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b01478 ).Textiles como base para generadores triboeléctricos
¿Alguna vez te has preguntado cuántas veces al día nuestra ropa se dobla, aprieta y estira cuando nos movemos? Sin embargo, nos parece insignificante, sin embargo, la electricidad generada durante la deformación de la ropa puede ser suficiente para cargar un brazalete o sensores en el cuerpo.Por ejemplo, investigadores del Centro de Nanotecnología de Interfaz Humana, ubicado en Corea del Sur, junto con sus colegas del Instituto Australiano de Materiales Superconductores y Electrónicos crearon un material textil especial que le permite convertir la energía mecánica de los movimientos en energía eléctrica.Para crear un nanogenerador triboeléctrico de este tipo (TriboElectric NanoGenerator - TENG), se utilizó una tela conductora, sobre la cual se aplicaron varillas de óxido de zinc (ZnO) recubiertas con una funda aislante de dimetilsiloxano polimérico (PDMS) . Los textiles resultantes pueden soportar hasta 12,000 ciclos de carga (exprimido), mientras producen aproximadamente 170 V y 65 microA, lo que equivale a 1.1 mW de potencia. En este caso, la fuerza requerida es de solo 10 kgf (~ 100 H).(ab) Representación esquemática del tejido creado: TENG se colocó entre capas de plata con textura, en otras palabras, textil conductor. (c-d) Fotografías de un prototipo real a nivel micro y macro, respectivamente.El principio de funcionamiento del dispositivo se muestra en el siguiente diagrama. Al apretar, dos capas del dispositivo están en contacto (a), redistribución de cargas (b), causando corriente eléctrica, si debilitamos la influencia externa (c). Luego, el sistema vuelve al estado de equilibrio (d) y con la siguiente presión, la corriente ya se está ejecutando en la dirección opuesta (e).Esquema paso a paso de la operación del nanogenerador triboeléctrico (TENG).El textil resultante en sus características no es muy diferente del tejido ordinario. Se puede incrustar en la ropa como (¿todavía?) Un brazalete y usarse para alimentar varios dispositivos integrados en la ropa inteligente, por ejemplo, varias marcas de identificación o incluso un control remoto desde un automóvil.La introducción de nanogeneradores triboeléctricos que usan ropa inteligente como ejemploEl artículo original "Nanogenerador triboeléctrico usable a base de textiles nanopatterned" se publica en ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn507221f ).Otro grupo de científicos surcoreanos de las universidades de Ulsan (Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan) y Suwon (Universidad de Sungkyunkwan) junto con sus colegas estadounidenses de Atlanta (Instituto de Tecnología de Georgia) propusieron una forma de crear un no sándwich de varias telas estructuradas, como vimos anteriormente, y las fibras mismas, que ya están tejidas en cualquier tela (en el artículo descrito, se usó tela repelente al agua).La base de tales fibras es papel de aluminio con una capa nanoestructurada del mismo polímero aislante PDMS y un alambre de tamaño micro de aluminio recubierto con varillas de óxido de zinc ZnO.Una representación esquemática de un nuevo tipo de hilo tejido en una tela para crear generadores triboeléctricos, algo así como un gusano que absorbe a los cosechadores de Dune 2000, ¿no?Este desarrollo tiene varias ventajas. Por ejemplo, no es necesario crear un nuevo tipo de tela y una nueva producción, es suficiente para tejer las fibras obtenidas en casi cualquier material de tela moderno. Por otro lado, incluso para fibras individuales, los investigadores lograron obtener una potencia de aproximadamente 4 mW (40 V a una corriente de 120 microA), mientras que el material puede estirarse hasta el 25% en una dirección.Características eléctricas de las muestras de tejido triboeléctrico obtenidasAdemás, el tejido triboeléctrico obtenido puede usarse simultáneamente como sensor, ya que la corriente generada es proporcional al grado de extensión. Este desarrollo, con un alto grado de probabilidad, será de interés para atletas y profesionales médicos para la detección precisa de los movimientos de atletas y pacientes.Sensor de movimiento de tejido triboeléctrico: corriente proporcional a la resistencia a la tracciónEl artículo original , Tejidos 2D altamente estirables para nanogenerador triboeléctrico portátil en entornos hostiles, se publica en ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b02010 ).Alta potencia para relojes inteligentes.
Y finalmente, llegamos a los dispositivos más potentes basados en generadores triboeléctricos. Los investigadores chinos y sus asociados estadounidenses lograron crear un TEG que produce hasta 10 4 W / m 2 de potencia a una corriente de 10 4 A / m 2 . ¡Este es un récord absoluto para tales dispositivos hoy!Una versión de dicho generador triboeléctrico se muestra en la figura a continuación. Este es el llamado TEG rotativo, en el cual, según los científicos, se logra un mayor tiempo de contacto de los "electrodos" para eliminar la carga acumulada y, en consecuencia, la corriente aumenta proporcionalmente.a) Diagrama del dispositivo presentado. b) La dependencia de la corriente generada de la velocidad de rotación. c) Corriente generada a 1600 rpm y una carga externa de 500 ohmios instalada después del puente de diodos.Creado por TEG es bastante compacto. El área de dos planos giratorios es de solo 25 cm 2 (es decir, las dimensiones lineales de dicho generador son de 5-7 cm).Diagrama esquemático del dispositivo basado en el generador triboeléctrico presentadoSe espera que los desarrollos posteriores en esta área crearán un generador triboeléctrico en miniatura aún más potente, pero al mismo tiempo, para la integración con dispositivos portátiles existentes.El artículo original , Nanogenerator pulsado con gran densidad de potencia de salida instantánea, se publica en ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn403151t ).En lugar de salida
Entonces, hoy nos familiarizamos con los principales logros en el campo de la creación de generadores triboeléctricos que cubren una amplia gama de capacidades de electricidad producida: de mW / m 2 a W / m 2 (y en algunos casos, kilovatios). En los últimos dos años, se han publicado muchos artículos, los generadores han evolucionado de una gran caja a fibras en miniatura tejidas en tela ordinaria. Y, conociendo a los coreanos, podemos contar con confianza con la inminente aparición de generadores triboeléctricos en teléfonos inteligentes reales o pulseras de fitness.¡Espera y mira!Y en la siguiente parte, pasamos a ejemplos de productos electrónicos portátiles reales que ya se han creado en laboratorios y están esperando en la cola de las oficinas de ingeniería de los fabricantes de microelectrónica.Suscríbase a nuestro canal de información (no es difícil para usted, estamos encantados) y manténgase actualizado con noticias interesantes.PD: En este día significativo, abrimos la página de Prestigio en GT . Algunos de los miembros de la comunidad ya conocen y usan los dispositivos y productos Prestigio, otra persona aún no los conoce, lo que, por supuesto, ayudaremos, pero planeamos escribir sobre los temas más variados: desde electrónica portátil hasta una revisión honesta de los productos.
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