C'est la science: l'électronique portable et la triboélectricité. Partie 1
Nous souhaitons la bienvenue à tous les utilisateurs de GeekTimes qui sont éveillés à cette heure mouvementée de la journée!Il y a encore 10 à 15 ans, les scientifiques et les ingénieurs rêvaient seulement que l'électronique portable (bracelets de fitness, montres intelligentes à la mode et divers capteurs) serait solidement ancrée dans la vie quotidienne. Aujourd'hui, nous discutons déjà de l'Internet des objets (IoT) et des appareils intelligents qui peuvent être utilisés pour contrôler notre maison via Internet.En fait, ici et maintenant, nous assistons à la transition de l'électronique «portable» à l'étape «intégrée dans le corps humain», lorsque le même bracelet de fitness sera suffisant pour coller au poignet avant de quitter la maison, ou pour intégrer une puce avec de la mémoire supplémentaire directement dans le cerveau .Il y a tout juste un an, il a été publiéarticle sur la triboélectricité , dans lequel les principes de base des générateurs dits tribo-électriques (TEG) ont été démontrés. À sa suite, en raison de l'abondance de matériel (des articles ont été publiés et continuent d'être publiés dans les revues scientifiques les plus prestigieuses avec une régularité enviable, tout comme les voitures de l'usine Henry Ford), toute une revue de cette technologie a déjà été suivie . Par conséquent, en raison de l'abondance de matériaux accumulés au cours de la dernière année, cet article sera divisé en deux parties consacrées à deux questions principales de l'électronique portable: en fait, où obtenir de l'électricité et quels appareils peuvent être alimentés avec cette énergie.Ici, par exemple, la batterie d'un bracelet de fitness moderne peut occuper la moitié, voire plus, que son volume. Peut-être, avec les éléments ou, je dirais, les «modes» de nutrition, nous commencerons.La triboélectricité est la différence de potentiel et, par conséquent, la séparation des charges qui se produit lorsque deux matériaux se frottent l'un contre l'autre. Ce phénomène rappelle quelque peu l'électricité statique bien connue. Un générateur de triboélectricité peut être fabriqué par une simple combinaison de deux matériaux qui peuvent être chargés négativement ou positivement (panneau a) dans la figure ci-dessous). Des mouvements simples, tels que la flexion, l'étirement et la compression, déplacent les deux matériaux sélectionnés, ce qui génère une différence de potentiel et, si vous le souhaitez, la charge est redistribuée entre les matériaux en contact, qui est essentiellement un courant électrique (panneau b).– (, ) .
a) Exemples des matériaux triboélectriques les plus courants capables d'accumuler des charges positives et négatives. b) Une description schématique du principe de fonctionnement d'un générateur triboélectrique (TEG). c) Les principaux secteurs d'application des générateurs triboélectriques - des lentilles intelligentes à la charge des montres et des lunettes intelligentes, ainsi que le niveau de puissance requis du générateur.Actuellement, les chercheurs coréens sont activement engagés dans ces développements, qui ont déjà créé un grand nombre des générateurs triboélectriques les plus divers, couvrant des valeurs de puissance allant de fractions de microW / cm 2 (nous en avons parlé dans la revue précédente ) à des dizaines de W / cm 2, ce qui, vous voyez, est déjà suffisant pour alimenter des lunettes ou des montres intelligentes. Eh bien, parlons de quelques exemples intéressants dans ce domaine plus en détail.L'article de synthèse, Générateurs et capteurs triboélectriques pour l'électronique portable auto-alimentée, est publié dans ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b01478 ).Les textiles comme base des générateurs triboélectriques
Vous êtes-vous déjà demandé combien de fois par jour nos vêtements se plient, se contractent et s'étirent lorsque nous bougeons?! Il nous semble insignifiant, cependant, l'électricité générée lors de la déformation des vêtements pourrait bien suffire à charger un bracelet fitness ou des capteurs sur le corps.Par exemple, des chercheurs du Center for Human Interface Nanotechnology, situé en Corée du Sud, avec leurs collègues de l'Institut australien des matériaux supraconducteurs et électroniques ont créé un matériau textile spécial qui vous permet de transformer l'énergie mécanique des mouvements en énergie électrique.Pour créer un tel nanogénérateur triboélectrique (TriboElectric NanoGenerator - TENG), un tissu conducteur a été utilisé, sur lequel des tiges d'oxyde de zinc (ZnO) recouvertes d'une gaine isolante polymère en diméthylsiloxane (PDMS) ont ensuite été appliquées . Les textiles résultants peuvent supporter jusqu'à 12 000 cycles de charge (compression), tout en produisant environ 170 V et 65 microA, ce qui équivaut à 1,1 mW de puissance. Dans ce cas, la force requise n'est que de 10 kgf (~ 100 H).(ab) Représentation schématique du tissu créé: TENG a été placé entre des couches d'argent texturées, c'est-à-dire de textile conducteur. (c-d) Photographies d'un véritable prototype aux niveaux micro et macro, respectivement.Le principe de fonctionnement de l'appareil est illustré dans le schéma ci-dessous. Lors de la compression, deux couches de l'appareil sont en contact (a), la redistribution des charges (b), provoquant du courant électrique, si l'on affaiblit l'effet extérieur (c). Ensuite, le système revient à l'état d'équilibre (d) et avec la pression suivante, le courant circule déjà dans la direction opposée (e).Schéma étape par étape du fonctionnement du nanogénérateur triboélectrique (TENG)Le textile résultant dans ses caractéristiques n'est pas très différent du tissu ordinaire. Il peut être intégré dans des vêtements comme (encore?!) Un bracelet et utilisé pour alimenter divers appareils intégrés dans des vêtements intelligents - par exemple, diverses marques d'identification ou même une télécommande d'une voiture!L'introduction de nanogénérateurs triboélectriques utilisant des vêtements intelligents comme exempleL'article original «Nanogénérateur textile triboélectrique portable nanogénérateur» est publié dans ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn507221f ).Un autre groupe de scientifiques sud-coréens des universités d'Ulsan (Ulsan National Institute of Science and Technology) et Suwon (Sungkyunkwan University) ainsi que leurs collègues américains d'Atlanta (Georgia Institute of Technology) ont suggéré un moyen de créer un non-sandwich à partir de divers tissus structurés, comme nous l'avons vu plus tôt, et les fibres elles-mêmes, qui sont déjà tissées dans n'importe quel tissu (dans l'article décrit, un tissu hydrofuge a été utilisé).La base de ces fibres est une feuille d'aluminium avec une couche nanostructurée du même polymère isolant PDMS et un fil d'aluminium de petite taille recouvert de tiges d'oxyde de zinc ZnO.Une représentation schématique d'un nouveau type de fil tissé dans le tissu pour créer des générateurs triboélectriques - quelque chose comme un ver qui absorbe les moissonneuses de Dune 2000, n'est-ce pas?!Cette évolution présente plusieurs avantages. Par exemple, il n'est pas nécessaire de créer un nouveau type de tissu et une nouvelle production, il suffit juste de tisser les fibres obtenues dans presque n'importe quel matériau de tissu moderne. D'autre part, même pour des fibres individuelles, les chercheurs ont réussi à obtenir une puissance d'environ 4 mW (40 V à un courant de 120 microA), tandis que le matériau peut s'étirer jusqu'à 25% dans un sens.Caractéristiques électriques des échantillons de tissu triboélectrique obtenusDe plus, le tissu triboélectrique obtenu peut être utilisé simultanément comme capteur, car le courant généré est proportionnel au degré d'extension. Cette évolution, avec un haut degré de probabilité, intéressera les athlètes et les professionnels de la santé pour la détection précise des mouvements des athlètes et des patients.Capteur de mouvement de tissu triboélectrique: courant proportionnel à la résistance à la tractionL'article d'origine , Tissus 2D hautement extensibles pour nanogénérateur triboélectrique portable dans des environnements difficiles, est publié dans ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b02010 ).Haute puissance pour les montres intelligentes
Et enfin, nous sommes arrivés aux appareils les plus puissants basés sur des générateurs triboélectriques. Des chercheurs chinois et leurs associés américains ont réussi à créer un TEG qui produit jusqu'à 10 4 W / m 2 de puissance à un courant de 10 4 A / m 2 . C'est un record absolu pour de tels appareils aujourd'hui!Une version d'un tel générateur triboélectrique est illustrée dans la figure ci-dessous. Il s'agit de ce qu'on appelle le TEG rotatif, dans lequel, selon les scientifiques, un temps de contact plus long des «électrodes» est atteint pour éliminer la charge accumulée et, par conséquent, le courant augmente proportionnellement.a) Schéma du dispositif présenté. b) La dépendance du courant généré sur la vitesse de rotation. c) Le courant généré à 1600 tr / min et une charge externe de 500 ohms installés après le pont de diodes.Créé par TEG est assez compact. L'aire de deux plans tournants n'est que de 25 cm 2 (c'est-à-dire que les dimensions linéaires d'un tel générateur sont de 5 à 7 cm).Schéma de principe du dispositif basé sur le générateur triboélectrique présentéIl est à espérer que de nouveaux développements dans ce domaine créeront un générateur triboélectrique miniature encore plus puissant, mais en même temps, pour l'intégration avec des appareils portables existants.L'article original , Nanogénérateur pulsé avec une énorme densité de puissance de sortie instantanée, est publié dans ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn403151t ).Au lieu de la sortie
Ainsi, aujourd'hui, nous avons pris connaissance des principales réalisations dans le domaine de la création de générateurs triboélectriques couvrant une large gamme de capacités d'électricité produite: de mW / m 2 à W / m 2 (et dans certains cas, kilowatts!). Au cours des deux dernières années, de nombreux articles ont été publiés, les générateurs eux-mêmes sont passés d'une immense boîte à des fibres miniatures tissées en tissu ordinaire. Et, connaissant les Coréens, nous pouvons compter en toute confiance sur l'apparition imminente de générateurs triboélectriques dans de vrais smartphones ou bracelets de fitness.Attendez et voyez!Et dans la partie suivante, nous nous tournons vers des exemples de véritable électronique portable qui ont déjà été créés dans les laboratoires et attendent en ligne aux portes des bureaux d'ingénierie des fabricants de microélectronique.Abonnez-vous à notre chaîne d'information (ce n'est pas difficile pour vous - nous sommes heureux) et restez à jour avec des nouvelles intéressantes.PS: En ce jour important, nous avons ouvert la page Prestigio sur GT . Certains membres de la communauté connaissent et utilisent déjà des appareils et des produits Prestigio, quelqu'un d'autre n'a pas encore appris à les connaître, ce que, bien sûr, nous allons aider, mais nous prévoyons d'écrire sur les sujets les plus variés: de l'électronique portable à un examen honnête des produits.
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