MIT-ingenjörer har skapat en ny polymerfilm som kan generera elektricitet genom att dra på en allestädes närvarande källa:vattenånga.

Det nya materialet ändrar form efter att ha absorberat små mängder avdunstat vatten, så att den kan rulla sig upp och ner upprepade gånger. Att utnyttja denna kontinuerliga rörelse kan driva robotens lemmar eller generera tillräckligt med elektricitet för att driva mikro- och nanoelektroniska enheter, som miljösensorer.

"Med en sensor som drivs av ett batteri, du måste byta ut den med jämna mellanrum. Om du har den här enheten, du kan skörda energi från miljön så att du inte behöver byta ut den så ofta, " säger Mingming Ma, en postdoc vid MIT:s David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research och huvudförfattare till en artikel som beskriver det nya materialet i numret 11 januari av Vetenskap .

"Vi är väldigt glada över detta nya material, och vi förväntar oss när vi uppnår högre effektivitet när det gäller att omvandla mekanisk energi till elektricitet, detta material kommer att hitta ännu bredare tillämpningar, säger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT och senior författare till tidningen. Dessa potentiella tillämpningar inkluderar storskaliga, vattenångsdrivna generatorer, eller mindre generatorer för att driva bärbar elektronik.

Andra författare till Science paper är Koch Institute postdoc Liang Guo och Daniel Anderson, Samuel A. Goldblith docent i kemiteknik och medlem av Koch Institute och MIT:s Institute for Medical Engineering and Science.

Skörda energi

Den nya filmen är gjord av ett sammankopplat nätverk av två olika polymerer. En av polymererna, polypyrrol, bildar en hård men flexibel matris som ger strukturellt stöd. Den andra polymeren, polyol-borat, är en mjuk gel som sväller när den absorberar vatten.

Tidigare försök att göra vattenkänsliga filmer har endast använt polypyrrol, som visar en mycket svagare respons i sig. "Genom att införliva de två olika typerna av polymerer, du kan generera en mycket större förskjutning, samt en starkare kraft, " säger Guo.

Filmen skördar energi som finns i vattengradienten mellan torra och vattenrika miljöer. När den 20 mikrometer tjocka filmen ligger på en yta som innehåller även en liten mängd fukt, bottenskiktet absorberar avdunstat vatten, tvingar filmen att rulla sig bort från ytan. När filmens botten exponeras för luft, det släpper snabbt ut fukten, kullerbyttor framåt, och börjar krypa ihop igen. När denna cykel upprepas, den kontinuerliga rörelsen omvandlar den kemiska energin i vattengradienten till mekanisk energi.

Sådana filmer kan fungera som antingen ställdon (en typ av motor) eller generatorer. Som ställdon, materialet kan vara förvånansvärt kraftfullt:Forskarna visade att en 25-milligrams film kan lyfta en last av glasskivor 380 gånger sin egen vikt, eller transportera en last silvertrådar 10 gånger sin egen vikt, genom att arbeta som en potent vattendriven "minitraktor". Använder bara vatten som energikälla, denna film skulle kunna ersätta de eldrivna ställdon som nu används för att styra små robotar.

"Det behövs inte mycket vatten, " säger mamma. "En mycket liten mängd fukt skulle räcka."

Generera elektricitet

Den mekaniska energin som genereras av materialet kan också omvandlas till elektricitet genom att koppla polymerfilmen med ett piezoelektriskt material, som omvandlar mekanisk spänning till en elektrisk laddning. Detta system kan generera en genomsnittlig effekt på 5,6 nanowatt, som kan lagras i kondensatorer för att driva mikroelektroniska enheter med ultralåg effekt, såsom temperatur- och fuktighetssensorer.

Om det används för att generera el i större skala, filmen kan skörda energi från miljön – till exempel, medan den placeras ovanför en sjö eller flod. Eller, det kan fästas på kläder, där bara svettavdunstningen skulle kunna ge bränsle till enheter som fysiologiska övervakningssensorer. "Du kan springa eller träna och generera kraft, " säger Guo.

I mindre skala, filmen kan driva mikroelektriska mekaniska system (MEMS), inklusive miljösensorer, eller ännu mindre enheter, såsom nanoelektronik. Forskarna arbetar nu med att förbättra effektiviteten i omvandlingen av mekanisk energi till elektrisk energi, vilket skulle kunna tillåta mindre filmer att driva större enheter.