Produktionen av enheter i nanoskala har ökat drastiskt med ökningen av tekniska tillämpningar, men en stor nackdel med funktionaliteten hos system i nanostorlek är behovet av en lika liten energiresurs.
För att möta detta behov, Hamid Foruzande, Ali Hajnayeb och Amin Yaghootian från Shahid Charmran University of Ahvaz i Iran har modellerat ny piezoelektrisk energiskördarteknik (PEH) på nanoskalanivå. I deras senaste artikel, publiceras denna vecka i AIP avancerar , teamet fastställde hur småskaliga dimensioner påverkar olinjära vibrationer och PEH-spänningsskörd.
Piezoelektriska material genererar elektricitet från tillämpningen av mekanisk stress, och används i allt från mobiltelefoner till ultraljudsgivare. Denna elektricitet kan också genereras av vibrationsinducerade spänningar, tillåta forskare att skapa PEH. Dessa PEH kan miniatyriseras ner till en mikro- eller nanostorlek och användas tillsammans med enheter i nanoskala.
"Nu för tiden, behovet av nya miniatyriserade trådlösa sensorer växer. Dessa MEMS [Micro-Electro Mechanical Systems] eller NEMS [Nano-Electro Mechanical Systems] sensorer kräver vanligtvis en strömkälla av deras storlek, " sa Hajnayeb.
Piezoelektrisk energiskörd är en välkänd process för att omvandla energi tillgänglig i en miljö till energi som kan driva små elektriska enheter. Traditionellt, detta har använts för att generera en självförsörjande energiförsörjning. Självförsörjning är mycket önskvärt för enheter i nanoskala på grund av den komplicerade naturen av att ersätta små energisystem.
PEH blir allt populärare för applikationer i nanoskala på grund av deras relativt enkla strukturer, högre energitätheter och förmåga att lätt skalas ner. Makroskalamodeller har studerats omfattande och utgjort en stark bas för att producera nanoskaliga modeller. Foruzande, Hajnayeb och Yaghootian drar fördel av dessa anpassningsbara egenskaper och har genererat PEH-modeller i nanoskala baserade på icke-lokal elasticitetsteori.
"Det är nödvändigt att använda den här teorin för andra system i nanoskala och även sensorerna i nanoskala, som använder piezoelektriska material, " Sa Hajnayeb. "De har samma styrande teori som vi använder i vår artikel."
Forskargruppen studerade icke-linjära vibrationer och spänningar baserat på icke-lokal elasticitetsteori, som säger att en punktspänning är beroende av töjningen i en region runt den punkten. Med hjälp av denna teori, de kunde härleda ickelinjära rörelseekvationer med enkla lösningar. Deras resultat visade att att lägga till en nanostrålespetsmassa och öka skalfaktorn skulle öka den genererade spänningen och vibrationsamplituden, därmed öka energiproduktionen.
Modellering av mikro- och nanoskaliga PEH:er kunde också avslöja exakt vilken effektstorlekseffekt som hade på den produktion de kunde förvänta sig. Forskarna fann att felet att försumma storlek är signifikant när man jämför makro- och mikro-PEH. Att försumma olika storlekseffekter resulterade i lägre uppskattningar av PEH-vibrationer.
Sensorteknik i nanoskala håller på att bli en het handelsvara i den vetenskapliga industrin på grund av dess expansiva tillämpningar. Med tillämpningar inom medicin, teknik, fysik och mer, nanoteknik har mycket att vinna på användningen av en stabil energikälla, såsom dessa nymodellerade PEH.
