Det bärbara kraftarmbandet kan fånga upp och omvandla energi från mänsklig rörelse till elektricitet och lagra det i MXene -superkondensatorer för att driva olika sensorer. Kredit:2018 KAUST
Autonomi är ett mycket efterlängtat inslag i nästa generations mikrosystem, som fjärrsensorer, bärbara elektroniska prylar, implanterbara biosensorer och nanoroboter. KAUST -forskare under ledning av Husam Alshareef, Jr-Hau He och Khaled Salama har utvecklat små fristående enheter genom att integrera underhållsfria kraftenheter som producerar och använder sitt eget bränsle istället för att förlita sig på en extern strömkälla.
Triboelektriska nanogeneratorer (TENG) fångar mekanisk energi från sin omgivning, såsom vibrationer och slumpmässiga rörelser som produceras av människor, och omvandla den till el. I dessa små generatorer, friktionskontakt mellan material med olika polaritet skapar motsatt laddade ytor. Upprepad friktion får elektroner att hoppa mellan dessa ytor, resulterar i elektrisk spänning.
"Vi utnyttjade denna triboelektriska effekt för att skörda energi från enkla rörelser, som handklappning, fingertappning och rutinmässig handrörelse, för att driva olika typer av sensorer, säger Alshareef.
Forskarna har utvecklat en självdriven fotodetektor genom att koppla den silikonbaserade polymeren polydimetylsiloxan (PDMS) som en TENG med ett material som kallas organometallisk halogenidperovskit. Det blyhalogenidbaserade materialet har optoelektroniska egenskaper som är önskvärda i solceller och ljusemitterande dioder.
För att effektivisera deras design och eliminera behovet av ett rörelsesaktuator, Hans team tillverkade fotodetektorn med två flerskiktade polymerbaserade ark åtskilda av ett litet gap. Ett ark omfattade den ultratunna perovskitfilmen medan den andra innehöll ett PDMS -skikt. Mellanrummet gjorde att laget kunde utnyttja den triboelektriska effekten när enheten aktiverades genom att knacka på fingrarna.
Det blyhalogenidbaserade materialet har optoelektroniska egenskaper som är önskvärda i solceller och ljusemitterande dioder. Kredit:2018 KAUST
"Den självdrivna enheten visade utmärkt lyhördhet för infallande ljus, särskilt när det utsätts för ljus med låg intensitet, "säger Mark Leung, huvudförfattare till fotodetektorstudien. På grund av dess flexibla och transparenta polymerkomponenter, den behöll också sin prestanda efter att ha böjts 1, 000 gånger och oberoende av det infallande ljusets orientering.
Flytta gränserna längre, forskarna konstruerade ett bärbart självdrivet armband som kan lagra den omvandlade mekaniska energin genom att kombinera en kolfiberinbäddad silikon-nanogenerator med MXene-mikroöverkapacitorer².
De införlivade nanogenerator och miniatyriserade elektrokemiska kondensatorer i en enda monolitisk enhet innesluten i silikongummi. Det läckagesäkra och töjbara skalet gav ett flexibelt och mjukt armband som helt anpassade sig till kroppen. Fluktuationer i hud-silikon separationen förändrade laddningsbalansen mellan elektroder, vilket får elektronerna att flöda fram och tillbaka över TENG och mikrosuperkondensatorn att ladda upp.
Förutom att visa längre livslängd och kort laddningstid, MXene mikrosuperkondensatorer kan ackumulera mer energi i ett visst område än tunnfilm och mikrobatterier, erbjuder snabbare och effektivare småskaliga energilagringsenheter för TENG-genererad el. När den är aktiv, armbandet kan använda den lagrade energin för att styra olika elektroniska enheter, såsom klockor och termometrar.
"Vårt yttersta mål är att utveckla en självdriven sensorplattform för personlig hälsoövervakning, "säger doktoranden Qiu Jiang, huvudförfattare till det självladdande bandprojektet. Teamet planerar nu att införa sensorer i systemet för att upptäcka biomarkörer i mänsklig svett.
