(PhysOrg.com) -- För att driva en mycket liten enhet som en pacemaker eller en transistor, du behöver en ännu mindre generator. Komponenterna som driver generatorn är ännu mindre, och effektiviteten hos dessa grundläggande komponenter är avgörande för den övergripande enhetens prestanda.
För sin Ph.D. vid Georgia Institute of Technology, University of Wisconsin-Madison materialvetenskap och ingenjörsassistent Xudong Wang var en del av ett team som utvecklade en piezoelektrisk nanogenerator och experimenterade med en mängd olika material för att driva den.
Teamet fann att zinkoxid nanotrådar, som har sexsidiga, kolonnliknande kristaller, skulle kunna producera 10 nanowatt per kvadratcentimeter genom att omvandla mekanisk energi till elektricitet. Den mekaniska energin kan komma från så olika miljökällor som vind, bilmotorer, mänsklig andning, blodflöde, kroppsrörelser, eller akustiska och ultraljudsvibrationer.
Även om framsteg var spännande, zinkoxidnanotrådarna hade en låg verkningsgrad, och nu på UW-Madison, Wang tar sig an denna utmaning genom att undersöka ett nytt material som kan göra nanogeneratorn mer effektiv och kraftfull. En optimerad nanogenerator kan driva små enheter med ett brett utbud av applikationer, såsom lysdioder, MEMS, transistorer och biomedicinska apparater som pacemakers, robotar, sensorer eller sensordioder.
Wang utvecklar ferroelektriska material som kan producera nanotrådar med 10 gånger den elektriska potentialen av de ursprungliga zinkoxiderna. Ökningen sker eftersom kristallen av ett ferroelektriskt material är gjord av rumsligt obalanserade atomer som producerar automatiska, permanent polarisering i materialet. När Wang introducerar spänning inuti denna obalanserade kristall, polariseringen förstärks, skapar en betydande mängd elektrisk potential.
Mycket lite mekanisk energi skulle behövas för att driva den nya nanogeneratorn eftersom även en liten mängd förskjutning har en större effekt på nanoskala material än vanliga material - en teori Wang tänker bevisa i sitt labb.
En utmaning är att tillverka de ferroelektriska nanotrådarna, vilket är en mer komplicerad process än att tillverka nanotrådar av zinkoxid. För att odla de ferroelektriska nanotrådarna, Wang använder en smältsaltprocess. Smält natriumklorid fungerar som reaktionsmedium för att hjälpa nanotrådarna att självmontera från prekursorer vid cirka 1, 500 grader Fahrenheit. Varje nanotråd är 10, 000 gånger mindre än ett enda människohår.
"Vi undersöker för närvarande hur mycket potential som kan genereras av sådana nanotrådar när de avböjs med hjälp av atomkraftsmikroskopi, " säger Wang.
Wangs slutmål är att göra en riktig nanogenerator som kan driva en mängd olika små enheter. Eftersom generatorn skulle kräva en så liten mängd ström från källor som kontinuerligt tillhandahåller energi, det skulle kunna fungera i huvudsak som ett evigt batteri.
Tillhandahålls av University of Wisconsin-Madison (nyheter:webb)
