Immagina di poter generare elettricità sfruttando l'umidità nell'aria intorno a te solo con oggetti di uso quotidiano come il sale marino e un pezzo di tessuto, o persino alimentando l'elettronica di tutti i giorni con una batteria atossica sottile come carta. Un team di ricercatori del College of Design and Engineering (CDE) dell'Università Nazionale di Singapore (NUS) ha sviluppato un nuovo dispositivo di generazione di elettricità guidata dall'umidità (MEG) costituito da un sottile strato di tessuto, di circa 0,3 millimetri (mm) di spessore —sale marino, inchiostro carbone e uno speciale gel che assorbe l'acqua.

Il concetto di dispositivi MEG si basa sulla capacità di diversi materiali di generare elettricità dall'interazione con l'umidità nell'aria. Quest'area sta ricevendo un interesse crescente grazie al suo potenziale per un'ampia gamma di applicazioni del mondo reale, inclusi dispositivi autoalimentati come dispositivi elettronici indossabili come monitor sanitari, sensori elettronici della pelle e dispositivi di archiviazione delle informazioni.

Le sfide principali delle attuali tecnologie MEG includono la saturazione d'acqua del dispositivo quando esposto all'umidità ambientale e prestazioni elettriche insoddisfacenti. Pertanto, l'elettricità generata dai dispositivi MEG convenzionali è insufficiente per alimentare i dispositivi elettrici e non è nemmeno sostenibile.

Per superare queste sfide, un gruppo di ricerca guidato dall'assistente professore Tan Swee Ching del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali nell'ambito del CDE ha ideato un nuovo dispositivo MEG contenente due regioni di proprietà diverse per mantenere perennemente una differenza nel contenuto d'acqua tra le regioni per generare elettricità e consentire l'uscita elettrica per centinaia di ore.

Questa svolta tecnologica è stata pubblicata nella versione cartacea della rivista scientifica Advanced Materials il 26 maggio 2022.

Batteria in tessuto a ricarica automatica a lunga durata

Il dispositivo MEG del team NUS è costituito da un sottile strato di tessuto rivestito con nanoparticelle di carbonio. Nel loro studio, il team ha utilizzato un tessuto disponibile in commercio fatto di pasta di legno e poliestere.

Una regione del tessuto è rivestita con un idrogel ionico igroscopico e questa regione è nota come regione umida. Realizzato con sale marino, lo speciale gel che assorbe l'acqua può assorbire più di sei volte il suo peso originale e viene utilizzato per raccogliere l'umidità dall'aria.

"Il sale marino è stato scelto come composto che assorbe l'acqua grazie alle sue proprietà non tossiche e al suo potenziale di fornire un'opzione sostenibile per gli impianti di desalinizzazione per smaltire il sale marino e la salamoia generati", ha condiviso il prof. Tan.

L'altra estremità del tessuto è la regione asciutta che non contiene uno strato di idrogel ionico igroscopico. Questo per garantire che questa regione sia mantenuta asciutta e l'acqua sia confinata nella regione umida.

Una volta assemblato il dispositivo MEG, viene generata elettricità quando gli ioni del sale marino vengono separati mentre l'acqua viene assorbita nella regione umida. Gli ioni liberi con carica positiva (cationi) vengono assorbiti dalle nanoparticelle di carbonio che sono caricate negativamente. Ciò provoca cambiamenti sulla superficie del tessuto, generando un campo elettrico attraverso di esso. Queste modifiche alla superficie conferiscono anche al tessuto la capacità di immagazzinare elettricità per un uso successivo.

Utilizzando un design unico delle regioni umido-secche, i ricercatori del NUS sono stati in grado di mantenere un contenuto d'acqua elevato nella regione umida e un contenuto d'acqua basso nella regione secca. Ciò sosterrà la produzione elettrica anche quando la regione umida è satura di acqua. Dopo essere stata lasciata in un ambiente umido aperto per 30 giorni, l'acqua è stata ancora mantenuta nella regione umida, a dimostrazione dell'efficacia del dispositivo nel sostenere la produzione elettrica.

"Con questa struttura asimmetrica unica, le prestazioni elettriche del nostro dispositivo MEG sono notevolmente migliorate rispetto alle precedenti tecnologie MEG, rendendo così possibile alimentare molti dispositivi elettronici comuni, come monitor sanitari ed elettronica indossabile", ha spiegato Asst. Prof. Tan.

Il dispositivo MEG del team ha anche dimostrato un'elevata flessibilità ed è stato in grado di resistere alle sollecitazioni dovute a torsioni, rotolamenti e piegamenti. È interessante notare che la sua eccezionale flessibilità è stata dimostrata dai ricercatori piegando il tessuto in una gru origami che non ha influito sulle prestazioni elettriche complessive del dispositivo.

Alimentatore portatile e altro

Il dispositivo MEG ha applicazioni immediate grazie alla sua facilità di scalabilità e alle materie prime disponibili in commercio. Una delle applicazioni più immediate è l'uso come fonte di alimentazione portatile per l'alimentazione elettronica mobile direttamente dall'umidità ambientale.

"Dopo l'assorbimento d'acqua, un pezzo di tessuto che genera energia delle dimensioni di 1,5 x 2 centimetri può fornire fino a 0,7 volt (V) di elettricità per oltre 150 ore in un ambiente costante", ha affermato il dottor Zhang Yaoxin, membro del team di ricerca.

Il team NUS ha anche dimostrato con successo la scalabilità del suo nuovo dispositivo nella generazione di elettricità per diverse applicazioni. Il team NUS ha collegato insieme tre pezzi del tessuto che genera energia e li ha inseriti in una custodia stampata in 3D delle dimensioni di una batteria AA standard. La tensione del dispositivo assemblato è stata testata per raggiungere un massimo di 1,96 V, superiore a una batteria AA commerciale di circa 1,5 V, che è sufficiente per alimentare piccoli dispositivi elettronici come una sveglia.

La scalabilità dell'invenzione NUS, la comodità di ottenere materie prime disponibili in commercio nonché il basso costo di fabbricazione di circa $ 0,15 per metro quadrato rendono il dispositivo MEG adatto alla produzione di massa.

"Il nostro dispositivo mostra un'eccellente scalabilità a un basso costo di fabbricazione. Rispetto ad altre strutture e dispositivi MEG, la nostra invenzione è più semplice e facile per aumentare le integrazioni e le connessioni. Riteniamo che sia molto promettente per la commercializzazione", ha condiviso Asst. Prof. Tan.

I ricercatori hanno depositato un brevetto per la tecnologia e stanno pianificando di esplorare potenziali strategie di commercializzazione per applicazioni nel mondo reale. + Esplora ulteriormente

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