La produzione di dispositivi su scala nanometrica è drasticamente aumentata con l'aumento delle applicazioni tecnologiche, tuttavia un grave svantaggio per la funzionalità dei sistemi di dimensioni nanometriche è la necessità di una risorsa energetica altrettanto piccola.

Per rispondere a questa esigenza, Hamid Foruzande, Ali Hajnayeb e Amin Yaghootian dell'Università Shahid Charmran di Ahvaz in Iran hanno modellato la nuova tecnologia di raccolta dell'energia piezoelettrica (PEH) a livello di nanoscala. Nel loro recente articolo, pubblicato questa settimana in I progressi dell'AIP , il team ha determinato in che modo le dimensioni su piccola scala influiscono sulle vibrazioni non lineari e sulla raccolta di tensione PEH.

I materiali piezoelettrici generano elettricità dall'applicazione di sollecitazioni meccaniche, e sono utilizzati in tutto, dai telefoni cellulari ai trasduttori ad ultrasuoni. Questa elettricità può essere generata anche da sollecitazioni indotte dalle vibrazioni, permettendo agli scienziati di creare PEH. Questi PEH possono essere miniaturizzati fino a dimensioni micro o nanometriche e utilizzati insieme a dispositivi su nanoscala.

"Oggi, cresce la necessità di nuovi sensori wireless miniaturizzati. Questi sensori MEMS [Micro-Electro Mechanical Systems] o NEMS [Nano-Electro Mechanical Systems] richiedono solitamente una fonte di alimentazione delle loro dimensioni, "Hajnayeb ha detto.

La raccolta di energia piezoelettrica è un noto processo per convertire l'energia disponibile in un ambiente in energia che può alimentare piccoli dispositivi elettrici. Tradizionalmente, questo è stato utilizzato per generare un approvvigionamento energetico autosufficiente. L'autosufficienza è altamente auspicabile per i dispositivi su nanoscala a causa della natura complicata della sostituzione di piccoli sistemi energetici.

I PEH stanno guadagnando popolarità per le applicazioni su nanoscala grazie alle loro strutture relativamente semplici, densità di energia più elevate e capacità di essere facilmente ridimensionate. I modelli su macroscala sono stati ampiamente studiati e hanno fornito una solida base per produrre modelli su nanoscala. Foruzande, Hajnayeb e Yaghootian stanno sfruttando queste qualità adattabili e hanno generato modelli PEH su nanoscala basati sulla teoria dell'elasticità non locale.

"È necessario utilizzare questa teoria per altri sistemi su nanoscala e anche per i sensori su nanoscala, che utilizzano materiali piezoelettrici, " Hajnayeb ha detto. "Hanno la stessa teoria di governo che usiamo nel nostro articolo."

Il team di ricerca ha studiato le vibrazioni e la tensione non lineari sulla base della teoria dell'elasticità non locale, che afferma che una sollecitazione puntuale dipende dalla deformazione in una regione attorno a quel punto. Usando questa teoria, potrebbero derivare equazioni del moto non lineari con soluzioni semplici. I loro risultati hanno mostrato che l'aggiunta di una massa sulla punta del nanoraggio e l'aumento del fattore di scala aumenterebbero la tensione generata e l'ampiezza della vibrazione, quindi aumentando la produzione di energia.

La modellazione di PEH in micro e nanoscala è stata anche in grado di rivelare gli effetti delle dimensioni dell'impatto sull'output che potevano aspettarsi. I ricercatori hanno scoperto che l'errore di trascurare le dimensioni è significativo quando si confrontano macro e micro PEH. Trascurare vari effetti dimensionali ha portato a stime inferiori delle vibrazioni PEH.

La tecnologia dei sensori su nanoscala sta diventando un prodotto caldo nell'industria scientifica grazie alle sue vaste applicazioni. Con applicazioni in medicina, ingegneria, fisica e altro, la nanotecnologia ha molto da guadagnare dall'uso di una fonte energetica stabile, come questi PEH di nuova concezione.