🐆 👨🏽‍🤝‍👨🏻 ☝🏼 यह विज्ञान है: पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स और triboelectricity। भाग 1 🦊 🙇🏼 👌🏻

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यहां तक कि कुछ 10-15 साल पहले, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने केवल यह सपना देखा था कि पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स (फिटनेस कंगन, फैशनेबल स्मार्ट घड़ियां और विभिन्न सेंसर) रोजमर्रा की जिंदगी में मजबूती से तैयार होंगे। आज, हम पहले से ही इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) और स्मार्ट उपकरणों पर चर्चा कर रहे हैं जिनका उपयोग इंटरनेट के माध्यम से हमारे घर को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है।

वास्तव में, यहां और अब हम "मानव शरीर में निर्मित" चरण में "पहनने योग्य" इलेक्ट्रॉनिक्स के संक्रमण को देख रहे हैं, जब एक ही फिटनेस ब्रेसलेट घर छोड़ने से पहले कलाई पर छड़ी करने के लिए, या मस्तिष्क में सीधे अतिरिक्त मेमोरी के साथ एक चिप एम्बेड करने के लिए पर्याप्त होगा ।

एक साल पहले ही यह प्रकाशित हुआ थाtriboelectricity पर लेख , जिसमें तथाकथित tribo- इलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG) के बुनियादी सिद्धांतों का प्रदर्शन किया गया था। उसके बाद, सामग्री की प्रचुरता के कारण (लेख प्रकाशित किए गए थे और निरंतर प्रतिष्ठितता के साथ सबसे प्रतिष्ठित वैज्ञानिक पत्रिकाओं में प्रकाशित होते रहे, हेनरी फोर्ड कारखाने से कारों की तरह) इस तकनीक की पूरी समीक्षा पहले से ही पीछा की गई थी । इसलिए, पिछले एक साल में जमा हुई सामग्री की प्रचुरता के कारण, यह लेख पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के दो मुख्य मुद्दों के लिए समर्पित दो भागों में विभाजित किया जाएगा: वास्तव में, जहां बिजली प्राप्त करने के लिए और किन उपकरणों को इस ऊर्जा से संचालित किया जा सकता है।

यहाँ, उदाहरण के लिए, एक आधुनिक फिटनेस ब्रेसलेट में बैटरी अपने आयतन से आधी या उससे अधिक भी घेर सकती है। शायद, तत्वों के साथ या, मैं कहूंगा, पोषण के "तरीके", हम शुरू करेंगे।

ट्राइबोइलेक्ट्रिकिटी संभावित अंतर है और, तदनुसार, आरोपों का अलगाव जो तब होता है जब दो सामग्री एक दूसरे के खिलाफ रगड़ती हैं । यह घटना कुछ हद तक प्रसिद्ध स्थैतिक बिजली की याद दिलाती है। एक ट्राइब्रोइलेक्ट्रिसिटी जनरेटर दो सामग्रियों के एक सरल संयोजन द्वारा बनाया जा सकता है जो नकारात्मक रूप से या सकारात्मक रूप से (पैनल ए) नीचे की आकृति में चार्ज किया जा सकता है। झुकने, तनाव और संपीड़न जैसे सरल आंदोलनों, दो चयनित सामग्रियों को स्थानांतरित करने का कारण बनते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक संभावित अंतर उत्पन्न होता है, और, यदि आप चाहें, तो संपर्क में सामग्रियों के बीच शुल्क का पुनर्वितरण किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से एक विद्युत प्रवाह है (पैनल बी)।

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a) सकारात्मक और ऋणात्मक आवेशों को संचय करने में सक्षम सबसे आम त्रिकोणीय सामग्री के उदाहरण। बी) एक ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी) के संचालन के सिद्धांत का एक योजनाबद्ध विवरण। c) ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर के आवेदन के मुख्य क्षेत्र - स्मार्ट लेंस से लेकर स्मार्ट घड़ियों और चश्मे को चार्ज करने के साथ-साथ जनरेटर पावर के आवश्यक स्तर तक।

वर्तमान में, इन घटनाओं को सक्रिय रूप से कोरियाई शोधकर्ताओं जो पहले से ही किस्म triboelectric अंशों mikroVt / सेमी से बिजली के स्तर को कवर जनरेटर का एक बहुत बनाया है में लगे हुए हैं ² (जिसके बारे में हमने बताया पिछले समीक्षा में ) वाट के दसियों के लिए / सेमी ², जो आप देखते हैं, स्मार्ट चश्मे या घड़ियों को बिजली देने के लिए पहले से ही पर्याप्त है। खैर, आइए इस क्षेत्र के कुछ दिलचस्प उदाहरणों के बारे में थोड़ा और विस्तार से बात करते हैं।

समीक्षा लेख , Triboelectric Generators and Sensors for Self-Powered Wearable Electronics, ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b01478 ) में प्रकाशित होता है ।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर के लिए एक आधार के रूप में वस्त्र

क्या आपने कभी सोचा है कि जब हम चलते हैं तो दिन में कितनी बार हमारे कपड़े झुकते हैं, निचोड़ते हैं और स्ट्रेच करते हैं! ऐसा लगता है कि हम ट्रिफ़्लिंग कर रहे हैं, हालांकि, कपड़ों की विकृति के दौरान उत्पन्न बिजली अच्छी तरह से शरीर पर फिटनेस ब्रेसलेट या सेंसर चार्ज करने के लिए पर्याप्त हो सकती है।

उदाहरण के लिए, दक्षिण कोरिया में स्थित सेंटर फॉर ह्यूमन इंटरफेस नैनोटेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने ऑस्ट्रेलियन इंस्टीट्यूट फॉर सुपरकंडक्टिंग एंड इलेक्ट्रॉनिक मटेरियल के अपने सहयोगियों के साथ मिलकर एक विशेष कपड़ा सामग्री बनाई जो आपको विद्युत ऊर्जा में आंदोलनों की यांत्रिक ऊर्जा को चालू करने की अनुमति देती है।

इस तरह के एक triboelectric nanogenerator (triboelectric nanogenerator - टेंग) बनाने के लिए प्रवाहकीय कपड़े का उपयोग कर, जो तब जिंक आक्साइड की छड़ (जेडएनओ) के लिए आवेदन किया गया था, की एक इंसुलेटिंग बहुलक लेपित खोल polydimethylsiloxane (PDMS) । परिणामी वस्त्र लगभग १२० वी और ६५ माइक्रोए का उत्पादन करते हुए १२,००० चक्र भार (निचोड़ने) का सामना कर सकते हैं, जो १.१ mW शक्ति के बराबर है। इस मामले में, आवश्यक बल केवल 10 किग्रा (~ 100 एच) है।

(ab) निर्मित कपड़े का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व: TENG को चांदी के बनावट वाली परतों के बीच, दूसरे शब्दों में, प्रवाहकीय वस्त्र में रखा गया था। (c-d) सूक्ष्म और स्थूल स्तर पर एक वास्तविक प्रोटोटाइप की तस्वीरें, क्रमशः।

डिवाइस के संचालन का सिद्धांत नीचे आरेख में दिखाया गया है। निचोड़ते समय, डिवाइस की दो परतें संपर्क में हैं (ए), आरोपों का पुनर्वितरण (बी), जिससे विद्युत प्रवाह होता है, अगर हम बाहरी प्रभाव को कमजोर करते हैं (सी)। फिर सिस्टम संतुलन स्थिति (डी) पर लौटता है और अगले दबाव के साथ वर्तमान पहले से ही विपरीत दिशा (ई) में चल रहा है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर (TENG) ऑपरेशन

की चरण-दर-चरण योजना इसकी विशेषताओं में परिणामी कपड़ा साधारण कपड़े से बहुत अलग नहीं है। यह एक कंगन के रूप में (अभी तक!) कपड़े में एम्बेड किया जा सकता है और स्मार्ट कपड़ों में निर्मित विभिन्न उपकरणों को शक्ति देने के लिए उपयोग किया जाता है - उदाहरण के लिए, विभिन्न पहचान चिह्न या कार से रिमोट कंट्रोल भी!

एक उदाहरण के रूप में स्मार्ट कपड़ों का उपयोग करते हुए ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोगेनेरेटर का परिचय

मूल लेख "नैनोपाटर्नटेड टेक्सटाइल-बेस्ड वेयरेबल ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोगेनेरेटर" ACSNano ( DOI: 10.1021 (nn507221f ) में प्रकाशित हुआ है ।

उल्सान (उल्सान नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी) और सुवन (सुंगक्यंकवान विश्वविद्यालय) के विश्वविद्यालयों के दक्षिण कोरियाई वैज्ञानिकों के एक अन्य समूह ने अटलांटा (जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी) के अपने अमेरिकी सहयोगियों के साथ मिलकर विभिन्न संरचित कपड़ों के बिना एक गैर-सैंडविच बनाने का एक तरीका सुझाया, जैसा कि हमने पहले देखा, और स्वयं फाइबर, जो पहले से ही किसी भी कपड़े में बुना हुआ है (वर्णित लेख में, पानी से बचाने वाली क्रीम का इस्तेमाल किया गया था)।

इस तरह के तंतुओं का आधार एक ही इन्सुलेटेड पॉलिमर PDMS की नैनोस्टेक्टेड परत और जस्ता ऑक्साइड की छड़ें ZnO के साथ लेपित एल्यूमीनियम सूक्ष्म आकार के तार के साथ एल्यूमीनियम पन्नी है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर बनाने के लिए कपड़े में बुने हुए नए प्रकार के धागे का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व - एक कीड़ा जैसा कुछ है जो ड्यूने 2000 से हार्वेस्टर को अवशोषित करता है, है न?!

इस विकास के कई फायदे हैं। उदाहरण के लिए, एक नए प्रकार के कपड़े और नए उत्पादन बनाने के लिए आवश्यक नहीं है, यह केवल प्राप्त तंतुओं को लगभग किसी भी आधुनिक कपड़े सामग्री में बुनाई के लिए पर्याप्त है। दूसरी ओर, व्यक्तिगत तंतुओं के लिए भी, शोधकर्ता लगभग 4 mW (40 V की 120 माइक्रोएमीटर की धारा पर) की शक्ति प्राप्त करने में कामयाब रहे, जबकि सामग्री एक दिशा में 25% तक खिंच सकती है।

इसके अलावा, प्राप्त triboelectric ऊतक नमूनों की विद्युत विशेषताओं , प्राप्त triboelectric ऊतक एक साथ सेंसर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, क्योंकि उत्पन्न वर्तमान विस्तार की डिग्री के लिए आनुपातिक है। यह विकास, संभावना के एक उच्च स्तर के साथ, एथलीटों और रोगियों के आंदोलनों की सटीक पहचान के लिए एथलीटों और चिकित्सा पेशेवरों के लिए रुचि होगी।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक फैब्रिक मोशन सेंसर: तन्य शक्ति के लिए आनुपातिक

मूल लेख , हर्ष वातावरण के तहत पहनने योग्य ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोगेनेरेटर के लिए मूल लेख , अत्यधिक स्ट्रेचेबल 2 डी फैब्रिक ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b02010 ) में प्रकाशित होता है ।

स्मार्ट घड़ियों के लिए उच्च शक्ति

और अंत में, हम triboelectric जनरेटर के आधार पर सबसे शक्तिशाली उपकरणों के लिए मिला। चीनी शोधकर्ताओं और उनके साथियों ने अमेरिकी तेग बनाने के लिए, करने के लिए 10 जारी करने में कामयाब रहे ⁴ डब्ल्यू / मी ² 10 के एक वर्तमान में बिजली ⁴ ए / मीटर ² । यह आज इस तरह के उपकरणों के लिए एक पूर्ण रिकॉर्ड है!

इस तरह के ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर का एक संस्करण नीचे की आकृति में दिखाया गया है। यह तथाकथित रोटरी TEG है, जिसमें, वैज्ञानिकों के अनुसार, "इलेक्ट्रोड" का एक लंबा संपर्क समय संचित चार्ज को हटाने के लिए प्राप्त किया जाता है और, परिणामस्वरूप, वर्तमान आनुपातिक रूप से बढ़ जाता है।

a) प्रस्तुत डिवाइस का आरेख। बी) रोटेशन की गति पर उत्पन्न वर्तमान की निर्भरता। ग) 1600 आरपीएम पर उत्पन्न और डायोड पुल के बाद स्थापित 500 ओम का एक बाहरी भार।

TEG द्वारा बनाया गया यह काफी कॉम्पैक्ट है। दो घूर्णन विमानों का क्षेत्र केवल 25 सेमी ^{2 है} (अर्थात, ऐसे जनरेटर के रैखिक आयाम 5-7 सेमी हैं)।

प्रस्तुत ट्राइब्रोइलेक्ट्रिक जनरेटर के आधार पर डिवाइस का योजनाबद्ध आरेख

यह आशा की जाती है कि इस क्षेत्र में आगे के घटनाक्रम एक और भी अधिक शक्तिशाली बनाएंगे, लेकिन साथ ही, मौजूदा पोर्टेबल उपकरणों के साथ एकीकरण के लिए लघु त्रिकोणीय जनरेटर।

मूल लेख , पोज़्ड नैनोगिनेटर विथ विशाल तात्कालिक आउटपुट पावर घनत्व, ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn403151t ) में प्रकाशित हुआ है ।

आउटपुट के बजाय

इसलिए, आज हम उत्पादित बिजली की क्षमता की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करने वाली ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर बनाने के क्षेत्र में मुख्य उपलब्धियों से परिचित हुए: mW / m ² से W / m ^{2 तक} (और कुछ मामलों में किलोवाट!)। पिछले दो वर्षों में, कई लेख प्रकाशित हुए हैं, जनरेटर स्वयं एक विशाल बॉक्स से लघु वस्त्रों में बुने हुए लघु तंतुओं से विकसित हुए हैं। और, कोरियाई लोगों को जानते हुए, हम आत्मविश्वास से वास्तविक स्मार्टफोन या फिटनेस कंगन में triboelectric जनरेटर के आसन्न उपस्थिति पर भरोसा कर सकते हैं।

रुको और देखो!

और अगले भाग में, हम वास्तविक पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के उदाहरणों की ओर मुड़ते हैं जो पहले से ही प्रयोगशालाओं में बनाए गए हैं और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक निर्माताओं के इंजीनियरिंग ब्यूरो के दरवाजे पर कतार में इंतजार कर रहे हैं। हमारे सूचना चैनल की

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यह विज्ञान है: पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स और triboelectricity। भाग 1

ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर के लिए एक आधार के रूप में वस्त्र

स्मार्ट घड़ियों के लिए उच्च शक्ति

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