Oggi, siamo circondati da una varietà di dispositivi elettronici che si avvicinano sempre di più a noi:possiamo attaccarli e indossarli, o persino impiantare l'elettronica all'interno dei nostri corpi.

Molti tipi di dispositivi intelligenti sono prontamente disponibili e comodi da usare. L'obiettivo ora è realizzare dispositivi elettronici indossabili che siano flessibili, sostenibile e alimentato da energia rinnovabile ambientale.

Quest'ultimo obiettivo ha ispirato un gruppo di ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) a esplorare come le interessanti caratteristiche fisiche dei materiali a base di ossido di zinco (ZnO) potrebbero essere utilizzate in modo più efficace per attingere a abbondanti fonti di energia meccanica per alimentare i micro dispositivi. Hanno scoperto che l'inserimento di strati isolanti in nitruro di alluminio nei dispositivi di raccolta dell'energia a base di ZnO ha portato a un miglioramento significativo delle prestazioni dei dispositivi. I ricercatori riportano i loro risultati sulla rivista Lettere di fisica applicata .

"L'energia meccanica esiste ovunque, tutto il tempo, e in una varietà di forme - compreso il movimento, suono e vibrazione. La conversione da energia meccanica a energia elettrica è un approccio affidabile per ottenere energia elettrica per alimentare l'energia sostenibile, dispositivi wireless e flessibili - privi di limitazioni ambientali, " ha spiegato Giwan Yoon, professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica del KAIST.

Materiali piezoelettrici come ZnO, così come molti altri, hanno la capacità di convertire l'energia meccanica in energia elettrica, e viceversa. "Le nanostrutture di ZnO sono particolarmente adatte come elementi funzionali di nanogeneratori, grazie alle loro numerose virtù tra cui la trasparenza, biocompatibilità senza piombo, formabilità nanostrutturale, stabilità chimica, e proprietà accoppiate piezoelettriche e dei semiconduttori, " ha osservato Yoon.

Il concetto chiave alla base del lavoro del gruppo? Dispositivi flessibili per la raccolta di energia a base di ZnO, alias "nanogeneratori, " può essere essenzialmente costituito da nanorod di ZnO piezoelettrico o array di nanofili inseriti tra due elettrodi formati sui substrati flessibili. In breve, i meccanismi di funzionamento coinvolti possono essere spiegati come un flusso transitorio di elettroni guidati dal potenziale piezoelettrico.

"Quando i dispositivi flessibili possono essere facilmente deformati meccanicamente da varie eccitazioni esterne, nanotubi o nanofili di ZnO tesi tendono a generare cariche polarizzate, quale, a sua volta, generare campi piezoelettronici, " ha detto Yoon. "Questo consente alle cariche di accumularsi sugli elettrodi e genera un flusso di corrente esterno, che porta a segnali elettronici. O possiamo utilizzare direttamente i segnali di uscita elettrica o memorizzarli in dispositivi di accumulo di energia".

Altri ricercatori hanno riferito che l'uso di materiali isolanti può aiutare a fornire una barriera potenziale estremamente ampia. "Ciò rende estremamente importante che i materiali isolanti siano accuratamente selezionati e progettati, prendendo in considerazione sia le proprietà del materiale che il meccanismo di funzionamento del dispositivo, " disse Eunju Lee, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Yoon.

Ad oggi, però, sono stati compiuti pochi sforzi per sviluppare nuovi materiali isolanti e valutare la loro applicabilità ai dispositivi nanogeneratori o determinarne gli effetti sulle prestazioni di uscita del dispositivo.

I ricercatori KAIST hanno proposto, per la prima volta, nuovi strati sovrapposti piezoelettrici di ZnO/nitruro di alluminio (AlN) da utilizzare nei nanogeneratori.

"Abbiamo scoperto che l'inserimento di strati isolanti di AlN in dispositivi di raccolta a base di ZnO ha portato a un miglioramento significativo delle loro prestazioni, indipendentemente dallo spessore dello strato e/o dalla posizione dello strato nei dispositivi, " disse Lee. "Inoltre, le prestazioni e la polarità della tensione di uscita sembrano dipendere dalla posizione relativa e dallo spessore degli strati di ZnO e AlN impilati, ma questo deve essere approfondito".

Ci si aspetta che i risultati del gruppo forniscano un approccio efficace per la realizzazione di dispositivi di raccolta dell'energia basati su ZnO ad alta efficienza energetica. "Ciò è particolarmente utile per i sistemi elettronici autoalimentati che richiedono sia ubiquità che sostenibilità:dispositivi di comunicazione portatili, dispositivi di monitoraggio sanitario, dispositivi di monitoraggio ambientale e dispositivi medici impiantabili, " ha sottolineato Yoon. E ci sono potenzialmente molte altre applicazioni.

Prossimo, Yoon e colleghi hanno in programma di condurre uno studio più approfondito per ottenere una comprensione molto più precisa e completa dei meccanismi di funzionamento del dispositivo. "Esploreremo anche le configurazioni e le dimensioni ottimali del dispositivo in base al lavoro di analisi del meccanismo di funzionamento, " Ha aggiunto.