(Phys.org) — Con un colpo di piede, Zhong Lin Wang illumina un migliaio di lampadine a LED, senza batterie o cavo di alimentazione. La corrente proviene essenzialmente dalla stessa fonte di quella piccola scintilla che salta dalla punta di un dito alla maniglia di una porta quando si cammina sul tappeto con un raffreddore, giornata asciutta. Wang e il suo gruppo di ricerca hanno imparato a raccogliere questo potere ea metterlo in pratica.

Professore al Georgia Institute of Technology, Wang sta usando quello che è tecnicamente noto come effetto triboelettrico per creare quantità sorprendenti di energia elettrica sfregando o toccando insieme due materiali diversi. Crede che la scoperta possa fornire un nuovo modo per alimentare dispositivi mobili come sensori e smartphone catturando l'energia meccanica altrimenti sprecata da fonti come camminare, il vento che soffia, vibrazione, onde dell'oceano o persino auto che passano.

Oltre a generare potenza, la tecnologia potrebbe fornire anche un nuovo tipo di sensore autoalimentato, consentendo il rilevamento delle vibrazioni, movimento, perdite d'acqua, esplosioni o addirittura pioggia che cade. La ricerca è stata supportata da diversi sponsor, compresa la Nazionale Scienza Fondazione; Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; MANA, parte del National Institute for Materials in Giappone; La società coreana Samsung e l'Accademia cinese delle scienze. La ricerca è stata riportata in riviste tra cui ACS Nano , Materiale avanzato , Angewandte Chemie , Scienze energetiche e ambientali , Nano energia e Nano lettere .

"Siamo in grado di fornire piccole quantità di energia portatile per le odierne applicazioni mobili e di sensori, " ha detto Wang, un professore di Regents presso la School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech. "Questo apre una fonte di energia raccogliendo energia da attività di ogni tipo".

Nella sua forma più semplice, il generatore triboelettrico utilizza due fogli di materiali dissimili, uno un donatore di elettroni, l'altro un accettore di elettroni. Quando i materiali sono a contatto, gli elettroni passano da un materiale all'altro. Se i fogli vengono poi separati, un foglio contiene una carica elettrica isolata dallo spazio tra di loro. Se poi si collega un carico elettrico a due elettrodi posti ai bordi esterni delle due superfici, una piccola corrente scorrerà per equalizzare le cariche.

Ripetendo continuamente il processo, si può produrre una corrente alternata. In una variante della tecnica, i materiali – più comunemente polimeri flessibili poco costosi – producono corrente se vengono strofinati insieme prima di essere separati. Sono stati anche costruiti generatori che producono corrente continua.

"Il fatto che una carica elettrica possa essere prodotta attraverso la triboelettrificazione è ben noto, " ha spiegato Wang. "Quello che abbiamo introdotto è una tecnica di separazione del gap che produce una caduta di tensione, che porta ad un flusso di corrente nel carico esterno, consentire l'utilizzo della carica. Questo generatore può convertire l'energia meccanica casuale dal nostro ambiente in energia elettrica."

Dalla loro prima pubblicazione sulla ricerca, Wang e il suo gruppo di ricerca hanno aumentato la densità di potenza del loro generatore triboelettrico di un fattore 100, 000 – riportando che un metro quadrato di materiale monostrato può ora produrre fino a 300 watt. Hanno scoperto che la densità di potenza del volume raggiunge più di 400 kilowatt per metro cubo con un'efficienza superiore al 50 percento. I ricercatori hanno ampliato la gamma di tecniche di raccolta dell'energia da "camicie elettriche" contenenti tasche del materiale generatore a inserti per scarpe, fischi, pedali, tappetini, zaini e galleggianti che ondeggiano sulle onde dell'oceano.

Hanno imparato ad aumentare la potenza in uscita applicando modelli in scala micron ai fogli polimerici. La configurazione aumenta efficacemente l'area di contatto e quindi aumenta l'efficacia del trasferimento di carica.

Wang e il suo team hanno scoperto accidentalmente il potenziale di generazione di energia dell'effetto triboelettrico mentre lavoravano su generatori piezoelettrici, che utilizzano una tecnologia diversa. L'uscita da un dispositivo piezoelettrico era molto più grande del previsto, e la causa della maggiore resa è stata ricondotta a un errato assemblaggio che ha permesso a due superfici polimeriche di sfregare tra loro. Sei mesi di sviluppo hanno portato al primo articolo di giornale sul generatore triboelettrico nel 2012.

"Quando due materiali sono in contatto fisico, avviene la triboelettrificazione, " ha detto Wang, che detiene la cattedra Hightower presso la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Quando vengono allontanati, c'è una distanza creata. Per pareggiare la tassa locale, gli elettroni devono fluire. Stiamo ottenendo una tensione e un flusso di corrente sorprendentemente alti da questo. Al momento, abbiamo scoperto quattro modalità di base dei generatori triboelettrici."

Fin dalla loro prima realizzazione delle possibilità di questo effetto, Il team di Wang ha ampliato le applicazioni. Ora possono produrre corrente dal contatto tra acqua – acqua di mare, acqua del rubinetto e persino acqua distillata e una superficie polimerica modellata. Il loro ultimo documento, pubblicato sulla rivista ACS Nano a novembre, descritto la raccolta di energia dal touch pad di un computer portatile.

Ora stanno usando una vasta gamma di materiali, compresi i polimeri, tessuti e persino carte. I materiali sono economici, e può includere fonti come bottiglie per bevande riciclate. I generatori possono essere realizzati con polimeri quasi trasparenti, consentendo il loro utilizzo in touch pad e schermi.

Oltre al suo uso come fonte di energia, Wang utilizza anche l'effetto triboelettrico per il rilevamento senza una fonte di alimentazione esterna. Poiché i generatori producono corrente quando sono perturbati, potrebbero essere utilizzati per misurare le variazioni delle portate, movimento improvviso, o anche gocce di pioggia che cadono.

"Se si applica una forza meccanica a questi generatori, produrranno una corrente elettrica e una tensione, " ha detto. "Possiamo misurare quella corrente e la tensione come segnali elettrici per determinare l'entità dell'agitazione meccanica. Tali sensori potrebbero essere utilizzati per il monitoraggio del traffico, sicurezza, scienza ambientale, applicazioni per l'assistenza sanitaria e le infrastrutture".

Per il futuro, Wang e il suo team di ricerca hanno in programma di continuare a studiare i generatori e i sensori per migliorarne la resa e la sensibilità. La dimensione del materiale può essere ridimensionata, e più strati possono aumentare la potenza.

"Tutti hanno visto questo effetto, ma siamo stati in grado di trovare applicazioni pratiche per esso, " disse Wang. "È molto semplice, e c'è molto di più che possiamo fare con questo."