(Phys.org) —Med ett tramp på foten, Zhong Lin Wang lyser upp tusen LED-lampor – utan batterier eller nätsladd. Strömmen kommer från i princip samma källa som den lilla gnistan som hoppar från en fingertopp till en dörrhandtag när du går över mattan i en förkylning, torr dag. Wang och hans forskargrupp har lärt sig att skörda denna kraft och sätta den i arbete.

En professor vid Georgia Institute of Technology, Wang använder vad som tekniskt är känt som den triboelektriska effekten för att skapa överraskande mängder elektrisk kraft genom att gnugga eller röra två olika material tillsammans. Han tror att upptäckten kan ge ett nytt sätt att driva mobila enheter som sensorer och smartphones genom att fånga den annars bortkastade mekaniska energin från sådana källor som att gå, vinden som blåser, vibration, havsvågor eller till och med bilar som kör förbi.

Utöver att generera kraft, tekniken kan också ge en ny typ av självförsörjande sensor, möjliggör detektering av vibrationer, rörelse, vattenläckor, explosioner – eller till och med regn som faller. Forskningen har stöttats av en mängd olika sponsorer, inklusive National Vetenskap Fundament; US Department of Energy; MANA, del av National Institute for Materials i Japan; Det koreanska företaget Samsung och den kinesiska vetenskapsakademin. Forskningen har rapporterats i tidskrifter inklusive ACS Nano , Avancerade material , Angewandte Chemie , Energi- och miljövetenskap , Nanoenergi och Nanobokstäver .

"Vi kan leverera små mängder bärbar kraft för dagens mobila och sensorapplikationer, sa Wang, en Regents-professor vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering. "Detta öppnar upp en energikälla genom att skörda kraft från aktiviteter av alla slag."

I sin enklaste form, den triboelektriska generatorn använder två ark av olika material, en elektrondonator, den andra en elektronacceptor. När materialen är i kontakt, elektroner strömmar från ett material till ett annat. Om arken sedan separeras, ett ark har en elektrisk laddning isolerad av gapet mellan dem. Om en elektrisk belastning sedan ansluts till två elektroder placerade vid ytterkanterna av de två ytorna, en liten ström kommer att flyta för att utjämna laddningarna.

Genom att kontinuerligt upprepa processen, en växelström kan alstras. I en variant av tekniken, materialen – oftast billiga flexibla polymerer – producerar ström om de gnuggas ihop innan de separeras. Generatorer som producerar likström har också byggts.

"Det faktum att en elektrisk laddning kan produceras genom triboelektrifiering är välkänt, " Wang förklarade. "Vad vi har introducerat är en gapseparationsteknik som producerar ett spänningsfall, vilket leder till ett strömflöde i den externa lasten, så att laddningen kan användas. Denna generator kan omvandla slumpmässig mekanisk energi från vår miljö till elektrisk energi."

Sedan deras första publicering om forskningen, Wang och hans forskargrupp har ökat effekttätheten för sin triboelektriska generator med en faktor 100, 000 – rapporterar att en kvadratmeter enkelskiktsmaterial nu kan producera så mycket som 300 watt. De har funnit att volymeffekttätheten når mer än 400 kilowatt per kubikmeter vid en verkningsgrad på mer än 50 procent. Forskarna har utökat utbudet av energiinsamlingstekniker från "powerskjortor" som innehåller fickor av det genererande materialet till skoinsatser, visselpipor, fotpedaler, Golv mattor, ryggsäckar och flöten guppar på havets vågor.

De har lärt sig att öka uteffekten genom att applicera mönster i mikronskala på polymerarken. Mönstringen ökar effektivt kontaktytan och ökar därmed effektiviteten av laddningsöverföringen.

Wang och hans team upptäckte av misstag den kraftgenererande potentialen hos den triboelektriska effekten när de arbetade på piezoelektriska generatorer, som använder en annan teknik. Uteffekten från en piezoelektrisk enhet var mycket större än förväntat, och orsaken till den högre uteffekten spårades till felaktig montering som gjorde att två polymerytor kunde gnugga ihop. Sex månaders utveckling ledde till den första tidskriften om den triboelektriska generatorn 2012.

"När två material är i fysisk kontakt, triboelektrifieringen inträffar, sa Wang, som innehar Hightower-stolen i Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "När de flyttas isär, det skapas ett gapavstånd. För att utjämna den lokala avgiften, elektroner måste flöda. Vi får förvånansvärt hög spänning och ström från detta. Från och med nu, vi har upptäckt fyra grundläggande lägen för triboelektriska generatorer."

Sedan deras första insikt om möjligheterna för denna effekt, Wangs team har utökat applikationer. De kan nu producera ström från kontakt mellan vatten – havsvatten, kranvatten och till och med destillerat vatten – och en mönstrad polymeryta. Deras senaste tidning, publiceras i tidskriften ACS Nano i november, beskrev att hämta energi från pekplattan på en bärbar dator.

De använder nu ett brett utbud av material, inklusive polymerer, tyger och till och med papper. Materialen är billiga, och kan inkludera sådana källor som återvunna dryckesflaskor. Generatorerna kan tillverkas av nästan genomskinliga polymerer, tillåter användning i pekplattor och skärmar.

Utöver dess användning som strömkälla, Wang använder också den triboelektriska effekten för avkänning utan en extern strömkälla. Eftersom generatorerna producerar ström när de störs, de kan användas för att mäta förändringar i flödeshastigheter, plötslig rörelse, eller till och med fallande regndroppar.

"Om en mekanisk kraft appliceras på dessa generatorer, de kommer att producera en elektrisk ström och spänning, " sa han. "Vi kan mäta den strömmen och spänningen som elektriska signaler för att bestämma omfattningen av den mekaniska omrörningen. Sådana sensorer skulle kunna användas för övervakning i trafiken, säkerhet, miljövetenskap, hälsovård och infrastrukturapplikationer."

För framtiden, Wang och hans forskargrupp planerar att fortsätta studera generatorerna och sensorerna för att förbättra deras effekt och känslighet. Storleken på materialet kan skalas upp, och flera lager kan öka uteffekten.

"Alla har sett den här effekten, men vi har kunnat hitta praktiska tillämpningar för det, " sa Wang. "Det är väldigt enkelt, och det finns mycket mer vi kan göra med det här."