Combinando una nuova generazione di nanogeneratori piezoelettrici con due tipi di sensori a nanofili, i ricercatori hanno creato quelli che si ritiene siano i primi dispositivi di rilevamento su scala nanometrica autoalimentati che traggono energia dalla conversione dell'energia meccanica. I nuovi dispositivi possono misurare il pH dei liquidi o rilevare la presenza di luce ultravioletta utilizzando la corrente elettrica prodotta dall'energia meccanica nell'ambiente.

Basato su array contenenti fino a 20, 000 nanofili di ossido di zinco in ogni nanogeneratore, i dispositivi possono produrre fino a 1,2 volt di tensione di uscita, e sono fabbricati con un processo chimico progettato per facilitare la produzione a basso costo su substrati flessibili. I test effettuati con quasi mille nanogeneratori - che non hanno parti meccaniche in movimento - hanno dimostrato che possono funzionare nel tempo senza perdita di capacità di generazione.

I dettagli del nanogeneratore migliorato e dei nanosensori autoalimentati sarebbero stati riportati sulla rivista il 28 marzo Nanotecnologia della natura . La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation, l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa, e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

"Abbiamo dimostrato un modo robusto per raccogliere energia e utilizzarla per alimentare sensori su scala nanometrica, " ha detto Zhong Lin Wang, un professore di Regents presso la School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Ora abbiamo una roadmap tecnologica per ridimensionare questi nanogeneratori per realizzare applicazioni veramente pratiche".

Negli ultimi cinque anni, Il team di ricerca di Wang ha sviluppato generatori su nanoscala che utilizzano l'effetto piezoelettrico, che produce cariche elettriche quando i fili realizzati con ossido di zinco sono sottoposti a sollecitazioni. La deformazione può essere prodotta semplicemente flettendo i fili, e la corrente proveniente da molti fili può essere combinata in modo costruttivo per alimentare piccoli dispositivi. Lo sforzo di ricerca si è recentemente concentrato sull'aumento della quantità di corrente e tensione generata e sul rendere i dispositivi più robusti.

Nella carta, Wang e collaboratori riferiscono di una nuova configurazione per i nanofili che incorpora entrambe le estremità delle minuscole strutture in un substrato polimerico. I fili possono quindi generare corrente mentre vengono compressi in un involucro flessibile di nanogeneratore, eliminando il contatto con un elettrodo metallico che era richiesto nei dispositivi precedenti. Poiché i generatori sono completamente chiusi, possono essere utilizzati in una varietà di ambienti.

"Ora possiamo coltivare i fili chimicamente su substrati pieghevoli e flessibili e la lavorazione può ora essere eseguita a temperature del substrato inferiori a 100 gradi Celsius - circa la temperatura del caffè, " ha spiegato Wang. "Ciò consentirà una produzione e una crescita a costi inferiori praticamente su qualsiasi substrato".

I nanogeneratori sono prodotti utilizzando un processo a più fasi che include la fabbricazione di elettrodi che forniscono contatti sia Ohmic che Shottky per i nanofili. Gli array possono essere coltivati ​​sia verticalmente che lateralmente. Per massimizzare la corrente e la tensione, la crescita e l'assemblaggio richiedono l'allineamento della crescita cristallina, così come la sincronizzazione dei cicli di carica e scarica.

La produzione di nanogeneratori verticali inizia con la crescita di nanofili di ossido di zinco su una superficie rivestita d'oro utilizzando un metodo chimico umido. Uno strato di polimetilmetacrilato viene poi spun-coated sui nanofili, coprendoli dall'alto verso il basso. Viene quindi eseguita l'incisione con plasma di ossigeno, lasciando le punte pulite su cui viene posto un pezzo di wafer di silicio rivestito di platino. Il silicone rivestito fornisce una barriera Shottky, che è essenziale per mantenere il flusso di corrente elettrica.

L'uscita in corrente alternata dei nanogeneratori dipende dalla quantità di deformazione applicata. "A una velocità di deformazione inferiore al due percento al secondo, possiamo produrre una tensione di uscita di 1,2 volt, " ha detto Wang. "La potenza in uscita è abbinata al carico esterno."

I nanogeneratori laterali che integrano 700 file di nanofili di ossido di zinco hanno prodotto una tensione di picco di 1,26 volt con una deformazione dello 0,19%. In un nanogeneratore separato, l'integrazione verticale di tre strati di array di nanofili di ossido di zinco ha prodotto una densità di potenza di picco di 2,7 milliwatt per centimetro cubo.

Il team di Wang ha finora prodotto due minuscoli sensori basati su nanofili di ossido di zinco e alimentati dai nanogeneratori. Misurando l'ampiezza delle variazioni di tensione attraverso il dispositivo quando esposto a liquidi diversi, il sensore di pH può misurare l'acidità dei liquidi. Un nanosensore ultravioletto dipende da variazioni di voltaggio simili per rilevare quando viene colpito dalla luce ultravioletta.

Oltre a Wang, il team autore del documento includeva Sheng Xu, Yong Qin, Chen Xu, Yaguang Wei, e Rusen Wang, tutti dalla School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech.

Il nuovo generatore e i sensori su scala nanometrica aprono nuove possibilità per dispositivi di rilevamento molto piccoli che possono funzionare senza batterie, alimentato da energia meccanica raccolta dall'ambiente. Le fonti di energia potrebbero includere il movimento delle maree, onde sonore, vibrazione meccanica, lo sventolare di una bandiera al vento, la pressione delle scarpe di un escursionista o il movimento dei vestiti.

"Costruire dispositivi piccoli non è sufficiente, " Wang ha osservato. "Dobbiamo anche essere in grado di alimentarli in modo sostenibile che consenta loro di essere mobili. Utilizzando il nostro nuovo nanogeneratore, possiamo mettere questi dispositivi nell'ambiente in cui possono funzionare in modo indipendente e sostenibile senza richiedere una batteria."