Forskare från Clemsons Nanomaterials Institute (CNI) är ett steg närmare att trådlöst driva världen med hjälp av triboelektricitet - en grön energikälla.

I mars 2017, en grupp fysiker på CNI uppfann den extremt enkla triboelektriska nanogeneratorn, eller U -TENG - en liten enhet helt enkelt gjord av plast och tejp som genererar elektricitet från rörelse och vibrationer. När de två materialen sammanförs - genom att klappa händerna eller knacka på fötterna, till exempel - en spänning genereras som detekteras av en trådbunden, extern krets. Elektrisk energi, genom kretsen, lagras sedan i en kondensator eller ett batteri tills det behövs.

Nio månader senare, i ett papper publicerat i tidningen Avancerade energimaterial , forskarna har avslöjat en trådlös version av TENG, kallade W-TENG, vilket kraftigt utökar teknikens tillämpningar.

W-TENG konstruerades under samma förutsättning som U-TENG, använder material som är så motsatta i affinitet för elektroner att de genererar en spänning när de kommer i kontakt med varandra.

I W-TENG, plast byttes ut mot en fiber med flera delar av grafen - ett enda lager grafit, eller blyertsledning - och en biologiskt nedbrytbar polymer känd som polymjölksyra (PLA). PLA, på egen hand, är utmärkt för att skilja positiva och negativa laddningar, men inte så bra på att leda elektricitet - därför parade forskarna den med grafen. Kaptontejp, elektrongreppsmaterialet i U-TENG-ersattes med teflon, en förening känd för att belägga nonstick -stekpannor.

"Vi använder teflon eftersom det har många fluorgrupper som är mycket elektronegativa, medan grafen-PLA är mycket elektropositiv. Det är ett bra sätt att jämföra och skapa höga spänningar, "sa Ramakrishna Podila, motsvarande författare till studien och en biträdande professor i fysik vid Clemson.

För att få grafen, forskarna avslöjade sin överordnade förening, grafit, till en högfrekvent ljudvåg. Ljudvågen fungerar sedan som en slags kniv, skiva "kortlek" som är grafit i lager efter lager av grafen. Denna process, kallas sonikering, är hur CNI kan skala upp produktionen av grafen för att möta forsknings- och utvecklingskraven för W-TENG och andra uppfinningar av nanomaterial inom utveckling.

Efter montering av grafen-PLA-fibern, forskarna utnyttjade additiv tillverkning - annars känd som 3D -utskrift - för att dra fibern in i en 3D -skrivare, och W-TENG föddes.

Slutresultatet är en enhet som genererar en maxspänning på 3000 volt - tillräckligt för att driva 25 vanliga eluttag, eller i större skala, smarttonade fönster eller en LCD-skärm (liquid crystal display). Eftersom spänningen är så hög, W-TENG genererar ett elektriskt fält runt sig som kan avkännas trådlöst. Dess elektriska energi, för, kan lagras trådlöst i kondensatorer och batterier.

"Det kan inte bara ge dig energi, men du kan också använda det elektriska fältet som en manövrerad fjärrkontroll. Till exempel, du kan trycka på W-TENG och använda dess elektriska fält som en 'knapp' för att öppna din garageport, eller så kan du aktivera ett säkerhetssystem - allt utan batteri, passivt och trådlöst, "sa Sai Sunil Mallineni, studiens första författare och en doktorsexamen student i fysik och astronomi.

De trådlösa applikationerna för W-TENG är rikliga, sträcker sig till resursbegränsade inställningar, som i yttre rymden, mitt i havet eller till och med det militära slagfältet. Som sådan, Podila säger att det finns en bestämd filantropisk användning för lagets uppfinning.

"Flera utvecklingsländer kräver mycket energi, även om vi kanske inte har tillgång till batterier eller eluttag i sådana inställningar, "Sade Podila." W-TENG kan vara ett av de renare sätten att generera energi i dessa områden. "

Forskargruppen, igen ledd av Mallineni, håller på att patentera W-TENG genom Clemson University Research Foundation. Professor Apparao Rao, chef för Clemson Nanomaterials Institute, har också samtal med industriella partner för att börja integrera W-TENG i energitillämpningar.

Dock, före industriell produktion, Podila säger att mer forskning görs för att ersätta teflon med en mer miljövänlig, elektronegativt material. En utmanare för redesignen är MXene, en tvådimensionell oorganisk förening som har konduktiviteten hos en övergångsmetall och den vattenälskande karaktären hos alkoholer som propanol. Yongchang Dong, en annan doktorand vid CNI, ledde arbetet med att demonstrera MXene-TENG, som publicerades i en artikel från november 2017 i tidningen Nano Energy . Herbert Behlow och Sriparna Bhattacharya från CNI bidrog också till dessa studier.

Kommer W-TENG att påverka inom alternativa områden, förnybar energi? Rao säger att det kommer att bero på ekonomi,

"Vi kan bara ta det så långt som forskare; ekonomin måste träna för att W-TENG ska bli framgångsrik, "Sa Rao.