Isto é Ciência: eletrônica vestível e triboeletricidade. Parte 1
Congratulamo-nos com todos os usuários do GeekTimes que estão acordados a essa hora turbulenta do dia!Mesmo entre 10 e 15 anos atrás, cientistas e engenheiros apenas sonhavam que eletrônicos eletrônicos (pulseiras de fitness, relógios inteligentes da moda e vários sensores) estarão firmemente fundamentados na vida cotidiana. Hoje, já estamos discutindo a Internet das Coisas (IoT) e dispositivos inteligentes que podem ser usados para controlar nossa casa via Internet.De fato, aqui e agora estamos testemunhando a transição de eletrônicos "vestíveis" para o estágio "embutido no corpo humano", quando a mesma pulseira de fitness será suficiente para grudar no pulso antes de sair de casa ou para incorporar um chip com memória adicional diretamente no cérebro .Apenas um ano atrás, foi publicadoartigo sobre triboeletricidade , no qual foram demonstrados os princípios básicos dos chamados geradores triboelétricos (TEG). Depois dela, devido à abundância de material (os artigos foram publicados e continuam a ser publicados nas mais prestigiadas revistas científicas com regularidade invejável, assim como os carros da fábrica Henry Ford), uma revisão completa dessa tecnologia já foi seguida . Portanto, devido à abundância de material acumulado no ano passado, este artigo será dividido em duas partes dedicadas a duas questões principais da eletrônica vestível: de fato, de onde obter eletricidade e de quais dispositivos podem ser alimentados com essa energia.Aqui, por exemplo, a bateria de uma pulseira moderna pode ocupar metade ou até mais do que seu volume. Talvez, com os elementos ou, eu diria, "formas" de nutrição, começaremos.Triboeletricidade é a diferença de potencial e, consequentemente, a separação de cargas que ocorre quando dois materiais se esfregam. Esse fenômeno lembra um pouco a conhecida eletricidade estática. Um gerador de triboeletricidade pode ser produzido por uma simples combinação de dois materiais que podem ser carregados negativa ou positivamente (painel a) na figura abaixo). Movimentos simples, como flexão, alongamento e compressão, deslocam os dois materiais selecionados, resultando em uma diferença de potencial sendo gerada e, se você preferir, a carga é redistribuída entre os materiais em contato, que é essencialmente uma corrente elétrica (painel b).– (, ) .
a) Exemplos dos materiais triboelétricos mais comuns capazes de acumular cargas positivas e negativas. b) Uma descrição esquemática do princípio de operação de um gerador triboelétrico (TEG). c) Os principais setores de aplicação de geradores triboelétricos - de lentes inteligentes a carregamento de relógios e óculos inteligentes, bem como o nível de potência necessário do gerador.Atualmente, os pesquisadores coreanos estão envolvidos ativamente nesses desenvolvimentos, que já criaram um grande número dos mais diversos geradores triboelétricos, cobrindo valores de potência de frações de microW / cm 2 (falamos sobre eles na revisão anterior ) a dezenas de W / cm 2, que, você vê, já é suficiente para alimentar relógios ou óculos inteligentes. Bem, vamos falar sobre alguns exemplos interessantes nesta área com um pouco mais de detalhes.O artigo de revisão , Geradores e Sensores Triboelétricos para Eletrônicos Vestíveis Auto-alimentados, é publicado na ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b01478 ).Têxteis como base para geradores triboelétricos
Você já se perguntou quantas vezes por dia nossas roupas sofrem curvas, espremem e esticam quando nos movemos ?! Parece-nos insignificante, no entanto, a eletricidade gerada durante a deformação das roupas pode ser suficiente para carregar uma pulseira de fitness ou sensores no corpo.Por exemplo, pesquisadores do Centro de Nanotecnologia de Interface Humana, localizado na Coréia do Sul, juntamente com seus colegas do Instituto Australiano de Materiais Supercondutores e Eletrônicos criaram um material têxtil especial que permite transformar a energia mecânica dos movimentos em energia elétrica.Para criar um nanogerador triboelétrico (TriboElectric NanoGenerator - TENG), foi utilizado um tecido condutor, sobre o qual foram aplicadas hastes de óxido de zinco (ZnO) revestidas com uma bainha isolante polimérica de dimetilsiloxano (PDMS) . Os têxteis resultantes podem suportar até 12.000 ciclos de carga (compressão), enquanto produzem cerca de 170 V e 65 microA, o que equivale a 1,1 mW de energia. Nesse caso, a força necessária é de apenas 10 kgf (~ 100 H).aB) Representação esquemática do tecido criado: o TENG foi colocado entre camadas de prata texturizadas, ou seja, têxteis condutores. (c-d) Fotografias de um protótipo real nos níveis micro e macro, respectivamente.O princípio de operação do dispositivo é mostrado no diagrama abaixo. Ao apertar, duas camadas do dispositivo estão em contato (a), a redistribuição das cargas (b), causando corrente elétrica, se enfraquecermos o efeito externo (c). Em seguida, o sistema retorna ao estado de equilíbrio (d) e, com o pressionamento seguinte, a corrente já está funcionando na direção oposta (e).Esquema passo a passo da operação do nanogerador triboelétrico (TENG)O têxtil resultante em suas características não é muito diferente do tecido comum. Ele pode ser incorporado em roupas como (ainda?!) Uma pulseira e usado para alimentar vários dispositivos incorporados em roupas inteligentes - por exemplo, várias marcas de identificação ou até mesmo um controle remoto de um carro!A introdução de nanogeradores triboelétricos usando roupas inteligentes como exemploO artigo original “ Nanogerador triboelétrico vestível com base em matéria têxtil nanopatterna” é publicado no ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn507221f ).Outro grupo de cientistas sul-coreanos das universidades de Ulsan (Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan) e Suwon (Universidade de Sungkyunkwan), juntamente com seus colegas americanos de Atlanta (Instituto de Tecnologia da Geórgia), propuseram uma maneira de criar um não-sanduíche a partir de vários tecidos estruturados, como vimos anteriormente, e as próprias fibras, que já estão tecidas em qualquer tecido (no artigo descrito, foi utilizado tecido repelente à água).A base dessas fibras é uma folha de alumínio com uma camada nanoestruturada do mesmo polímero isolante PDMS e um fio de tamanho micro de alumínio revestido com hastes de óxido de zinco ZnO.Uma representação esquemática de um novo tipo de fio tecido em um tecido para criar geradores triboelétricos - algo como um verme que absorve as colheitadeiras do Dune 2000, não é ?!Este desenvolvimento tem várias vantagens. Por exemplo, não é necessário criar um novo tipo de tecido e nova produção, basta tecer as fibras obtidas em praticamente qualquer material de tecido moderno. Por outro lado, mesmo para fibras individuais, os pesquisadores conseguiram obter uma potência de cerca de 4 mW (40 V a uma corrente de 120 microA), enquanto o material pode se estender para 25% em uma direção.Características elétricas das amostras de tecido triboelétrico obtidasAlém disso, o tecido triboelétrico obtido pode ser usado simultaneamente como sensor, uma vez que a corrente gerada é proporcional ao grau de extensão. Esse desenvolvimento, com alto grau de probabilidade, será de interesse dos atletas e profissionais médicos para a detecção precisa dos movimentos de atletas e pacientes.Sensor de movimento de tecido triboelétrico: corrente proporcional à resistência à traçãoO artigo original , Tecidos 2D altamente elásticos para nanogerador triboelétrico vestível em ambientes agressivos, é publicado na ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.5b02010 ).Alta potência para relógios inteligentes
E, finalmente, chegamos aos dispositivos mais poderosos baseados em geradores triboelétricos. Pesquisadores chineses e seus associados americanos conseguiram criar um TEG que produz até 10 4 W / m 2 de energia a uma corrente de 10 4 A / m 2 . Hoje é um recorde absoluto para esses dispositivos!Uma versão desse gerador triboelétrico é mostrada na figura abaixo. Este é o chamado TEG rotativo, no qual, segundo os cientistas, é alcançado um tempo de contato mais longo dos “eletrodos” para remover a carga acumulada e, consequentemente, a corrente aumenta proporcionalmente.a) Diagrama do dispositivo apresentado. b) A dependência da corrente gerada na velocidade de rotação. c) Corrente gerada a 1600 rpm e uma carga externa de 500 Ohms instalada após a ponte de diodos.Criado por TEG é bastante compacto. A área das duas superfícies de rotação de apenas 25 cm 2 (i.e., as dimensões lineares do gerador de 5-7 cm).Diagrama esquemático do dispositivo baseado no gerador triboelétrico apresentadoEspera-se que novos desenvolvimentos nessa área criem um gerador triboelétrico ainda mais poderoso, mas ao mesmo tempo em miniatura, para integração com dispositivos portáteis existentes.O artigo original , Nanogerador pulsado com enorme densidade de potência de saída instantânea, é publicado na ACSNano ( DOI: 10.1021 / nn403151t ).Em vez de saída
Portanto, hoje nos familiarizamos com as principais realizações no campo da criação de geradores triboelétricos, cobrindo uma ampla gama de capacidades de eletricidade produzida: de mW / m 2 a W / m 2 (e, em alguns casos, quilowatts!). Nos últimos dois anos, muitos artigos foram publicados, os próprios geradores evoluíram de uma caixa enorme para fibras em miniatura tecidas em tecidos comuns. E, conhecendo os coreanos, podemos contar com a aparência iminente de geradores triboelétricos em smartphones reais ou pulseiras de fitness.Espere e veja!E, na próxima parte, nos voltamos para exemplos de eletrônicos vestíveis reais que já foram criados em laboratórios e estão esperando na fila nas portas dos departamentos de engenharia dos fabricantes de microeletrônica.Assine o nosso canal de informações (não é difícil para você - estamos satisfeitos) e mantenha-se atualizado com notícias interessantes.PS: Nesse dia significativo, abrimos a página Prestigio no GT . Alguns membros da comunidade já conhecem e usam dispositivos e produtos Prestigio, alguém ainda precisa conhecê-los, o que, é claro, ajudaremos, mas planejamos escrever sobre os mais variados tópicos: de aparelhos eletrônicos a uma revisão honesta dos produtos.
This is Science GeekTimes:This is Science:This is Science: – ?This is Science:This is Science: : !This is Science:This is Science:This is Science: 3DThis is Science: ?This is Science:This is Science: 3DThis is Science:This is Science:This is Science: . 1This is Science: . 2Source: https://habr.com/ru/post/pt389201/
All Articles