Forskare har upptäckt ännu ett sätt att skörda små mängder elektricitet från rörelse i världen omkring oss – den här gången genom att fånga den elektriska laddningen som produceras när två olika typer av plastmaterial gnider mot varandra. Baserat på flexibla polymermaterial, denna "triboelektriska" generator kan ge växelström (AC) från aktiviteter som promenader.

Den triboelektriska generatorn skulle kunna komplettera kraft som produceras av nanogeneratorer som använder den piezoelektriska effekten för att skapa ström från böjningen av zinkoxidnanotrådar. Och eftersom dessa triboelektriska generatorer kan göras nästan transparenta, de kan erbjuda ett nytt sätt att producera aktiva sensorer som kan ersätta teknik som nu används för beröringskänsliga enhetsskärmar.

"Det faktum att en elektrisk laddning kan produceras genom denna princip är välkänt, " sa Zhong Lin Wang, en Regents-professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Vad vi har introducerat är en gapseparationsteknik som producerar ett spänningsfall, vilket leder till ett strömflöde, så att laddningen kan användas. Denna generator kan omvandla slumpmässig mekanisk energi från vår miljö till elektrisk energi. "

Forskningen finansierades av National Science Foundation, energidepartementet och det amerikanska flygvapnet. Detaljer rapporterades i juninumret av tidskriften Nanobokstäver . Förutom Wang, författare till tidningen inkluderade Feng-Ru Fan, Lång Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu och Rui Zhang från Georgia Tech. Fan är också ansluten till State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces vid Xiamen University i Kina.

Den triboelektriska generatorn fungerar när ett ark av polyester gnider mot ett ark tillverkat av polydimetysiloxan (PDMS). Polyestern tenderar att donera elektroner, medan PDMS accepterar elektroner. Omedelbart efter att polymerytorna gnids ihop, de är mekaniskt separerade, skapar ett luftgap som isolerar laddningen på PDMS-ytan och bildar ett dipolmoment.

Om en elektrisk belastning sedan ansluts mellan de två ytorna, en liten ström kommer att flöda för att utjämna laddningspotentialen. Genom att kontinuerligt gnugga ihop ytorna och sedan snabbt separera dem, generatorn kan ge en liten växelström. En yttre deformation används för att pressa ihop ytorna och skjuta dem för att skapa en gnidningsrörelse.

"För att det här ska fungera, du måste använda två olika typer av material för att skapa de olika elektroderna, " Wang förklarade. "Om du gnuggar ihop ytor gjorda av samma material, du får inte laddningsskillnaden."

Tekniken kan också användas för att skapa en mycket känslig självdriven aktiv trycksensor för potentiell användning med organiska elektroniska eller optoelektroniska system. Kraften från en fjäder eller vattendroppe som berör ytan på den triboelektriska generatorn producerar en liten ström som kan detekteras för att indikera kontakten. Sensorerna kan detektera tryck så lågt som cirka 13 millipascal.

Eftersom enheterna kan göras till cirka 75 procent genomskinliga, de kan eventuellt användas i pekskärmar för att ersätta befintliga sensorer. "Transparenta generatorer kan tillverkas på praktiskt taget alla ytor, ", sade Wang. "Denna teknik kan användas för att skapa mycket känsliga transparenta sensorer som inte skulle kräva ström från en enhets batteri."

Även om släta ytor som gnuggar ihop genererar laddning, Wang och hans forskargrupp har ökat den nuvarande produktionen genom att använda mikromönstrade ytor. De studerade tre olika typer av ytmönster – linjer, kuber och pyramider – och fann att placering av pyramidformer på en av gnidningsytorna genererade mest elektrisk ström:så mycket som 18 volt vid cirka 0,13 mikroampere per kvadratcentimeter.

Wang sa att mönstringen förbättrade genereringskapaciteten genom att öka mängden laddning som bildas, förbättra kapacitansförändringen på grund av lufthålen som skapas mellan mönstren, och genom att underlätta laddningsseparering.

För att tillverka triboelektriska generatorer, forskarna började med att skapa en form av en kiselwafer på vilken de friktionshöjande mönstren formas med hjälp av traditionell fotolitografi och antingen en torr eller våt etsningsprocess. Formarna, där mönstrens särdrag formas i fördjupning, behandlades sedan med en kemikalie för att förhindra att PDMS fastnar.

Den flytande PDMS-elastomeren och tvärbindaren blandades sedan och centrifugerades på formen, och efter termisk härdning, skalas av som en tunn hinna. PDMS -filmen med mönster fixerades sedan på en elektrodyta gjord av indiumtennoxid (ITO) belagd med polyetylentereftalat (PET) med ett tunt PDMS -bindande skikt. Hela strukturen täcktes sedan med en annan ITO-belagd PET-film för att bilda en sandwichstruktur.

"Hela förberedelseprocessen är enkel och låg kostnad, gör det möjligt att skalas upp för storskalig produktion och praktiska tillämpningar, " sa Wang.

Generatorerna är robusta, continuing to produce current even after days of use – and more than 100, 000 cycles of operation, sa Wang. The next step in the research will be to create systems that include storage mechanisms for the current generated.

"Friction is everywhere, so this principle could be used in a lot of applications, " Wang added. "We are combining our earlier nanogenerator and this new triboelectric generator for complementary purposes. The triboelectric generator won't replace the zinc oxide nanogenerator, but it has its own unique advantages that will allow us to use them in parallel."