Genom att kombinera en ny generation av piezoelektriska nanogeneratorer med två typer av nanotrådssensorer, forskare har skapat vad som tros vara de första självdrivna avkänningsanordningarna i nanometerskala som hämtar kraft från omvandlingen av mekanisk energi. De nya enheterna kan mäta pH i vätskor eller upptäcka närvaron av ultraviolett ljus med hjälp av elektrisk ström som produceras av mekanisk energi i miljön.

Baserat på arrayer som innehåller så många som 20, 000 zinkoxid nanotrådar i varje nanogenerator, enheterna kan producera upp till 1,2 volt utgångsspänning, och är tillverkade med en kemisk process utformad för att underlätta lågkostnadstillverkning på flexibla substrat. Tester gjorda med nästan tusen nanogeneratorer - som inte har några mekaniska rörliga delar - visade att de kan drivas över tid utan förlust av genereringskapacitet.

Detaljer om den förbättrade nanogeneratorn och de självdrivna nanosensorerna var planerade att rapporteras den 28 mars i tidskriften Naturens nanoteknik . Forskningen stöddes av National Science Foundation, Defence Advanced Research Projects Agency, och det amerikanska energidepartementet.

"Vi har visat ett robust sätt att skörda energi och använda den för att driva sensorer i nanometerskala, " sa Zhong Lin Wang, en Regents-professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Vi har nu en teknisk färdplan för att skala upp dessa nanogeneratorer för att göra verkligt praktiska tillämpningar."

De senaste fem åren, Wangs forskargrupp har utvecklat generatorer i nanoskala som använder den piezoelektriska effekten - som producerar elektriska laddningar när ledningar gjorda av zinkoxid utsätts för påkänning. Töjningen kan produceras genom att helt enkelt böja ledningarna, och ström från många ledningar kan konstruktivt kombineras för att driva små enheter. Forskningsinsatsen har nyligen fokuserat på att öka mängden ström och spänning som genereras och på att göra enheterna mer robusta.

I tidningen, Wang och medarbetare rapporterar om en ny konfiguration för nanotrådarna som bäddar in båda ändarna av de små strukturerna i ett polymersubstrat. Ledningarna kan sedan generera ström när de komprimeras i ett flexibelt nanogeneratorhölje, eliminerar kontakten med en metallelektrod som krävdes i tidigare enheter. Eftersom generatorerna är helt inneslutna, de kan användas i en mängd olika miljöer.

"Vi kan nu odla trådarna kemiskt på substrat som är vikbara och flexibla och bearbetningen kan nu göras vid substrattemperaturer på mindre än 100 grader Celsius - ungefär kaffetemperaturen, ", förklarade Wang. "Det kommer att möjliggöra lägre kostnad tillverkning och tillväxt på nästan alla substrat."

Nanogeneratorerna tillverkas med hjälp av en flerstegsprocess som inkluderar tillverkning av elektroder som ger både Ohmic och Shottky-kontakter för nanotrådarna. Arrayerna kan odlas både vertikalt och lateralt. För att maximera ström och spänning, tillväxten och monteringen kräver anpassning av kristallin tillväxt, samt synkronisering av laddnings- och urladdningscykler.

Produktionen av vertikala nanogeneratorer börjar med att odla zinkoxidnanotrådar på en guldbelagd yta med en våtkemisk metod. Ett lager av polymetylmetakrylat spuns sedan på nanotrådarna, täcker dem uppifrån och ner. Syreplasmaetsning utförs sedan, lämnar rena spetsar på vilka en bit silikonwafer belagd med platina placeras. Det belagda kislet ger en Shottky-barriär, vilket är nödvändigt för att upprätthålla det elektriska strömflödet.

Nanogeneratorernas växelströmsutgång beror på mängden påkänning. "Vid en belastningshastighet på mindre än två procent per sekund, vi kan producera utspänning på 1,2 volt, " sa Wang. "Uteffekten matchas med den externa belastningen."

Laterala nanogeneratorer som integrerar 700 rader av zinkoxidnanotrådar producerade en toppspänning på 1,26 volt vid en töjning på 0,19 procent. I en separat nanogenerator, vertikal integration av tre lager av zinkoxid nanotrådarrayer gav en toppeffekttäthet på 2,7 milliwatt per kubikcentimeter.

Wangs team har hittills tagit fram två små sensorer som är baserade på nanotrådar av zinkoxid och drivs av nanogeneratorerna. Genom att mäta amplituden av spänningsförändringar över enheten när den utsätts för olika vätskor, pH-sensorn kan mäta surheten i vätskor. En ultraviolett nanosensor är beroende av liknande spänningsförändringar för att upptäcka när den träffas av ultraviolett ljus.

Förutom Wang, teamet som skrev uppsatsen inkluderade Sheng Xu, Yong Qin, Chen Xu, Yaguang Wei, och Rusen Wang, allt från Georgia Techs School of Materials Science and Engineering.

Den nya generatorn och sensorerna i nanoskala öppnar nya möjligheter för mycket små avkänningsenheter som kan fungera utan batterier, drivs av mekanisk energi från omgivningen. Energikällor kan innefatta tidvattens rörelse, ljudvågor, mekanisk vibration, flaggans flaxande i vinden, tryck från en vandrares skor eller rörelser av kläder.

"Det räcker inte att bygga enheter som är små, " Wang noterade. "Vi måste också kunna driva dem på ett hållbart sätt som gör att de kan vara mobila. Med vår nya nanogenerator, vi kan placera dessa enheter i en miljö där de kan arbeta självständigt och hållbart utan att behöva ett batteri."