Blinkande siffror på en flytande kristallskärm (LCD) indikerar ofta att en enhets klocka behöver nollställas. Men i Zhong Lin Wangs laboratorium vid Georgia Tech, den blinkande siffran på en liten LCD signalerar framgången för en femårig satsning på att driva konventionella elektroniska enheter med nanoskala generatorer som skördar mekanisk energi från miljön med hjälp av en rad små nanotrådar.

I detta fall, den mekaniska energin kommer från att komprimera en nanogenerator mellan två fingrar, men det kan också komma från ett hjärtslag, dunkandet av en vandrarsko på en stig, prasslet av en skjorta, eller vibrationer från en tung maskin. Även om dessa nanogeneratorer aldrig kommer att producera stora mängder el för konventionella ändamål, de kan användas för att driva enheter i nanoskala och mikroskala – och till och med för att ladda pacemakers eller iPods.

Wangs nanogeneratorer förlitar sig på den piezoelektriska effekten som ses i kristallina material som zinkoxid, där en elektrisk laddningspotential skapas när strukturer gjorda av materialet böjs eller komprimeras. Genom att fånga och kombinera laddningarna från miljontals av dessa zinkoxidtrådar i nanoskala, Wang och hans forskargrupp kan producera så mycket som tre volt – och upp till 300 nanoampere.

"Genom att förenkla vår design, gör den mer robust och integrerar bidragen från många fler nanotrådar, vi har framgångsrikt ökat produktionen av vår nanogenerator tillräckligt mycket för att driva enheter som kommersiella flytande kristallskärmar, ljusemitterande dioder och laserdioder, sa Wang, en Regents professor vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering. "Om vi ​​kan upprätthålla denna förbättringstakt, vi kommer att nå några verkliga tillämpningar inom sjukvårdsutrustning, personlig elektronik, eller miljöövervakning."

De senaste förbättringarna av nanogeneratorerna, inklusive en enklare tillverkningsteknik, rapporterades online förra veckan i tidskriften Nanobokstäver . Tidigare artiklar i samma tidskrift och i Nature Communications rapporterade om andra framsteg för arbetet, som har fått stöd av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), det amerikanska energidepartementet, det amerikanska flygvapnet, och National Science Foundation.

"Vi är intresserade av mycket små enheter som kan användas i applikationer som sjukvård, miljöövervakning och personlig elektronik, ", sa Wang. "Hur man driver dessa enheter är en kritisk fråga."

De tidigaste zinkoxidnanogeneratorerna använde arrayer av nanotrådar som odlades på ett styvt substrat och toppades med en metallelektrod. Senare versioner bäddade in båda ändarna av nanotrådarna i polymer och producerade kraft genom enkel böjning. Oavsett konfiguration, enheterna krävde noggrann tillväxt av nanotrådarrayerna och noggrann montering.

I den senaste tidningen, Wang och hans gruppmedlemmar Youfan Hu, Yan Zhang, Chen Xu, Guang Zhu och Zetang Li rapporterade om mycket enklare tillverkningstekniker. Först, de odlade uppsättningar av en ny typ av nanotråd som har en konisk form. Dessa trådar skars av från deras tillväxtsubstrat och placerades i en alkohollösning.

Lösningen som innehöll nanotrådarna droppades sedan på en tunn metallelektrod och ett ark av flexibel polymerfilm. Efter att alkoholen fått torka, ett annat lager skapades. Flera lager av nanotråd/polymer byggdes upp till en sorts komposit, med hjälp av en process som Wang tror skulle kunna skalas upp till industriell produktion.

När den är böjd, dessa nanotrådssmörgåsar – som är cirka två centimeter gånger 1,5 centimeter – genererade tillräckligt med kraft för att driva en kommersiell display lånad från en fickkalkylator.

Wang säger att nanogeneratorerna nu är nära att producera tillräckligt med ström för ett självdrivet system som kan övervaka miljön för en giftig gas, till exempel, sänd sedan en varning. Systemet skulle inkludera kondensatorer som kan lagra de små laddningarna tills tillräckligt med ström var tillgänglig för att skicka ut en skur av data.

Även om den nuvarande nanogeneratorns utgång förblir under den nivå som krävs för sådana enheter som iPods eller pacemakers, Wang tror att de nivåerna kommer att nås inom tre till fem år. Den nuvarande nanogeneratorn, han noterar, är nästan 100 gånger mer kraftfull än vad hans grupp hade utvecklat för bara ett år sedan.

Skriver i en separat artikel publicerad i oktober i tidskriften Nature Communications, gruppmedlemmar Sheng Xu, Benjamin J. Hansen och Wang rapporterade om en ny teknik för tillverkning av piezoelektriska nanotrådar från blyzirkonattitanat – även känd som PZT. Materialet används redan industriellt, men är svår att odla eftersom det kräver temperaturer på 650 grader Celsius.

I tidningen, Wangs team rapporterade den första kemiska epitaxiella tillväxten av vertikalt inriktade enkristallinanotrådar av PZT på en mängd olika ledande och icke-ledande substrat. De använde en process som kallas hydrotermisk nedbrytning, som ägde rum vid bara 230 grader Celsius.

Med en likriktarkrets för att omvandla växelström till likström, forskarna använde PZT nanogeneratorer för att driva en kommersiell laserdiod, demonstrerar ett alternativt materialsystem för Wangs nanogeneratorfamilj. "Detta ger oss flexibiliteten att välja det bästa materialet och processen för det givna behovet, även om prestandan hos PZT inte är lika bra som zinkoxid för elproduktion, " han förklarade.

Och i en annan tidning publicerad i Nanobokstäver , Wang och gruppmedlemmarna Guang Zhu, Rusen Yang och Sihong Wang rapporterade om ytterligare ett framsteg som ökar nanogeneratorns utgång. Deras tillvägagångssätt, kallad "skalbar svepande utskrift, " inkluderar en tvåstegsprocess av (1) överföring av vertikalt inriktade zinkoxidnannotrådar till ett polymermottagande substrat för att bilda horisontella arrayer och (2) applicering av parallella remselektroder för att koppla ihop alla nanotrådarna.

Genom att använda ett enda lager av denna struktur, forskarna producerade en öppen spänning på 2,03 volt och en toppeffekttäthet på cirka 11 milliwatt per kubikcentimeter.

"Från vi startade 2005 till idag, vi har dramatiskt förbättrat produktionen av våra nanogeneratorer, " Wang noterade. "Vi är inom intervallet för vad som behövs. Om vi ​​kan driva dessa små komponenter, Jag tror att vi kommer att kunna driva små system inom en snar framtid. Under de kommande fem åren, Jag hoppas att det här går till tillämpning."