I numeri lampeggianti su un display a cristalli liquidi (LCD) spesso indicano che l'orologio di un dispositivo deve essere reimpostato. Ma nel laboratorio di Zhong Lin Wang alla Georgia Tech, il numero lampeggiante su un piccolo LCD segnala il successo di uno sforzo quinquennale per alimentare dispositivi elettronici convenzionali con generatori su scala nanometrica che raccolgono energia meccanica dall'ambiente utilizzando una serie di minuscoli nanofili.

In questo caso, l'energia meccanica deriva dalla compressione di un nanogeneratore tra due dita, ma potrebbe anche venire da un battito cardiaco, il battito di una scarpa da escursionista su un sentiero, il fruscio di una camicia, o la vibrazione di una macchina pesante. Sebbene questi nanogeneratori non produrranno mai grandi quantità di elettricità per scopi convenzionali, potrebbero essere utilizzati per alimentare dispositivi su nanoscala e microscala e persino per ricaricare pacemaker o iPod.

I nanogeneratori di Wang si basano sull'effetto piezoelettrico visto nei materiali cristallini come l'ossido di zinco, in cui si crea un potenziale di carica elettrica quando le strutture realizzate con il materiale vengono flesse o compresse. Catturando e combinando le cariche di milioni di questi fili di ossido di zinco su scala nanometrica, Wang e il suo team di ricerca possono produrre fino a tre volt e fino a 300 nanoampere.

"Semplificando il nostro design, rendendolo più robusto e integrando i contributi di molti più nanofili, abbiamo potenziato con successo la potenza del nostro nanogeneratore abbastanza da pilotare dispositivi come display a cristalli liquidi commerciali, diodi emettitori di luce e diodi laser, " ha detto Wang, un professore di Regents alla School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech. "Se possiamo sostenere questo tasso di miglioramento, raggiungeremo delle vere applicazioni nei dispositivi sanitari, elettronica personale, o monitoraggio ambientale".

Recenti miglioramenti nei nanogeneratori, compresa una tecnica di fabbricazione più semplice, sono stati riportati online la scorsa settimana sul giornale Nano lettere . Articoli precedenti nella stessa rivista e in Nature Communications hanno riportato altri progressi per il lavoro, che è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, l'aeronautica americana, e la Fondazione Nazionale della Scienza.

"Siamo interessati a dispositivi molto piccoli che possono essere utilizzati in applicazioni come l'assistenza sanitaria, monitoraggio ambientale ed elettronica personale, " ha detto Wang. "Come alimentare questi dispositivi è un problema critico".

I primi nanogeneratori all'ossido di zinco utilizzavano array di nanofili cresciuti su un substrato rigido e sormontati da un elettrodo metallico. Le versioni successive incorporavano entrambe le estremità dei nanofili nel polimero e producevano energia mediante semplice flessione. Indipendentemente dalla configurazione, i dispositivi hanno richiesto un'attenta crescita degli array di nanofili e un accurato assemblaggio.

Nell'ultimo giornale, Wang e i membri del suo gruppo Youfan Hu, Yan Zhang, Chen Xu, Guang Zhu e Zetang Li hanno riferito di tecniche di fabbricazione molto più semplici. Primo, sono cresciuti array di un nuovo tipo di nanofilo che ha una forma conica. Questi fili sono stati tagliati dal loro substrato di crescita e posti in una soluzione alcolica.

La soluzione contenente i nanofili è stata poi fatta gocciolare su un sottile elettrodo metallico e su un foglio di pellicola polimerica flessibile. Dopo che l'alcol è stato lasciato asciugare, è stato creato un altro livello. Più strati di nanofili/polimeri sono stati costruiti in una sorta di composito, utilizzando un processo che Wang ritiene possa essere scalato fino alla produzione industriale.

Quando flesso, questi sandwich di nanofili – che sono circa due centimetri per 1,5 centimetri – hanno generato energia sufficiente per pilotare un display commerciale preso in prestito da una calcolatrice tascabile.

Wang afferma che i nanogeneratori sono ora vicini alla produzione di corrente sufficiente per un sistema autoalimentato che potrebbe monitorare l'ambiente alla ricerca di un gas tossico, ad esempio, quindi trasmettere un avviso. Il sistema includerebbe condensatori in grado di immagazzinare le piccole cariche fino a quando non fosse disponibile energia sufficiente per inviare una raffica di dati.

Sebbene anche l'attuale uscita del nanogeneratore rimanga al di sotto del livello richiesto per dispositivi come iPod o pacemaker cardiaci, Wang ritiene che tali livelli saranno raggiunti entro tre-cinque anni. L'attuale nanogeneratore, lui nota, è quasi 100 volte più potente di quello che il suo gruppo aveva sviluppato solo un anno fa.

Scrivendo in un articolo separato pubblicato in ottobre sulla rivista Nature Communications, membri del gruppo Sheng Xu, Benjamin J. Hansen e Wang hanno riferito di una nuova tecnica per fabbricare nanofili piezoelettrici da titanato di zirconato di piombo, noto anche come PZT. Il materiale è già utilizzato industrialmente, ma è difficile da coltivare perché richiede temperature di 650 gradi Celsius.

Nella carta, Il team di Wang ha riportato la prima crescita epitassiale chimica di array di nanofili a cristallo singolo allineati verticalmente di PZT su una varietà di substrati conduttivi e non conduttivi. Hanno usato un processo noto come decomposizione idrotermale, che ha avuto luogo a soli 230 gradi Celsius.

Con un circuito raddrizzatore per convertire la corrente alternata in corrente continua, i ricercatori hanno utilizzato i nanogeneratori PZT per alimentare un diodo laser commerciale, dimostrazione di un sistema di materiali alternativi per la famiglia di nanogeneratori di Wang. "Questo ci consente la flessibilità di scegliere il materiale e il processo migliori per la data esigenza, sebbene le prestazioni di PZT non siano buone quanto l'ossido di zinco per la generazione di energia, " Lui ha spiegato.

E in un altro articolo pubblicato su Nano lettere , Wang e i membri del gruppo Guang Zhu, Rusen Yang e Sihong Wang hanno riferito di un altro avanzamento che aumenta la produzione di nanogeneratori. Il loro approccio, chiamata "stampa ampia scalabile, " include un processo in due fasi di (1) trasferimento di nanofili di ossido di zinco allineati verticalmente su un substrato di ricezione del polimero per formare array orizzontali e (2) applicazione di elettrodi a strisce parallele per collegare tutti i nanofili insieme.

Utilizzando un singolo strato di questa struttura, i ricercatori hanno prodotto una tensione a circuito aperto di 2,03 volt e una densità di potenza di uscita di picco di circa 11 milliwatt per centimetro cubo.

"Da quando abbiamo iniziato nel 2005 fino ad oggi, abbiamo notevolmente migliorato la resa dei nostri nanogeneratori, " Wang ha osservato. "Siamo all'interno della gamma di ciò che è necessario. Se riusciamo a guidare questi piccoli componenti, Credo che saremo in grado di alimentare piccoli sistemi nel prossimo futuro. Nei prossimi cinque anni, Spero di vedere questo passaggio all'applicazione".