I ricercatori hanno scoperto un altro modo per raccogliere piccole quantità di elettricità dal movimento nel mondo che ci circonda, questa volta catturando la carica elettrica prodotta quando due diversi tipi di materiali plastici si sfregano l'uno contro l'altro. Basato su materiali polimerici flessibili, questo generatore "triboelettrico" potrebbe fornire corrente alternata (AC) da attività come camminare.

Il generatore triboelettrico potrebbe integrare l'energia prodotta da nanogeneratori che utilizzano l'effetto piezoelettrico per creare corrente dalla flessione dei nanofili di ossido di zinco. E poiché questi generatori triboelettrici possono essere resi quasi trasparenti, potrebbero offrire un nuovo modo per produrre sensori attivi che potrebbero sostituire la tecnologia ora utilizzata per i display dei dispositivi sensibili al tocco.

"Il fatto che una carica elettrica possa essere prodotta attraverso questo principio è ben noto, " ha detto Zhong Lin Wang, un professore di Regents presso la School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Quello che abbiamo introdotto è una tecnica di separazione del gap che produce una caduta di tensione, che porta ad un flusso di corrente, consentire l'utilizzo della carica. Questo generatore può convertire l'energia meccanica casuale dal nostro ambiente in energia elettrica."

La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, il Dipartimento dell'Energia e la US Air Force. I dettagli sono stati riportati nel numero di giugno della rivista Nano lettere . Oltre a Wang, gli autori del documento includevano Feng-Ru Fan, Lungo Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu e Rui Zhang della Georgia Tech. Fan è anche affiliato allo State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces presso l'Università di Xiamen in Cina.

Il generatore triboelettrico funziona quando un foglio di poliestere sfrega contro un foglio di polidimetilsilossano (PDMS). Il poliestere tende a cedere elettroni, mentre il PDMS accetta gli elettroni. Subito dopo lo sfregamento delle superfici polimeriche, sono meccanicamente separati, creando un traferro che isola la carica sulla superficie del PDMS e forma un momento di dipolo.

Se poi viene collegato un carico elettrico tra le due superfici, una piccola corrente fluirà per equalizzare il potenziale di carica. Strofinando continuamente le superfici tra loro e poi separandole velocemente, il generatore può fornire una piccola corrente alternata. Una deformazione esterna viene utilizzata per premere insieme le superfici e farle scorrere per creare il movimento di sfregamento.

"Perché questo funzioni, devi usare due diversi tipi di materiali per creare i diversi elettrodi, " ha spiegato Wang. "Se sfreghi insieme superfici fatte dello stesso materiale, non ottieni il differenziale di carica."

La tecnica potrebbe anche essere utilizzata per creare un sensore di pressione attivo autoalimentato molto sensibile per un potenziale utilizzo con sistemi elettronici organici o optoelettronici. La forza di una piuma o di una goccia d'acqua che tocca la superficie del generatore triboelettrico produce una piccola corrente che può essere rilevata per indicare il contatto. I sensori possono rilevare una pressione fino a circa 13 millipascal.

Poiché i dispositivi possono essere resi trasparenti per circa il 75%, potrebbero essere potenzialmente utilizzati nei touch screen per sostituire i sensori esistenti. "I generatori trasparenti possono essere fabbricati praticamente su qualsiasi superficie, " ha detto Wang. "Questa tecnica potrebbe essere utilizzata per creare sensori trasparenti molto sensibili che non richiederebbero energia dalla batteria di un dispositivo".

Mentre le superfici lisce che sfregano insieme generano carica, Wang e il suo team di ricerca hanno aumentato l'attuale produzione utilizzando superfici micro-disegnate. Hanno studiato tre diversi tipi di modelli di superficie:linee, cubi e piramidi - e ha scoperto che posizionare forme piramidali su una delle superfici di sfregamento generava la maggior parte della corrente elettrica:fino a 18 volt a circa 0,13 microampere per centimetro quadrato.

Wang ha affermato che il modello ha migliorato la capacità di generazione aumentando la quantità di carica formata, miglioramento del cambiamento di capacità dovuto ai vuoti d'aria creati tra i modelli, e facilitando la separazione delle cariche.

Per fabbricare i generatori triboelettrici, i ricercatori hanno iniziato creando uno stampo da un wafer di silicio su cui si formano i modelli che migliorano l'attrito utilizzando la fotolitografia tradizionale e un processo di incisione a secco oa umido. Gli stampi, in cui le caratteristiche dei modelli si formano in recesso, sono stati quindi trattati con una sostanza chimica per evitare che il PDMS si attaccasse.

L'elastomero liquido PDMS e il reticolante sono stati quindi miscelati e rivestiti per rotazione sullo stampo, e dopo la polimerizzazione termica, staccato come una pellicola sottile. Il film PDMS con patterning è stato quindi fissato su una superficie dell'elettrodo in ossido di indio e stagno (ITO) rivestito con polietilene tereftalato (PET) da un sottile strato di legame PDMS. L'intera struttura è stata poi ricoperta con un altro film in PET rivestito con ITO per formare una struttura a sandwich.

"L'intero processo di preparazione è semplice e a basso costo, rendendo possibile la scalabilità per produzioni su larga scala e applicazioni pratiche, "Ha detto Wang.

I generatori sono robusti, continuing to produce current even after days of use – and more than 100, 000 cycles of operation, Wang said. The next step in the research will be to create systems that include storage mechanisms for the current generated.

"Friction is everywhere, so this principle could be used in a lot of applications, " Wang added. "We are combining our earlier nanogenerator and this new triboelectric generator for complementary purposes. The triboelectric generator won't replace the zinc oxide nanogenerator, but it has its own unique advantages that will allow us to use them in parallel."