I ricercatori del Nanomaterials Institute (CNI) di Clemson sono un passo avanti verso l'alimentazione wireless del mondo utilizzando la triboelettricità, una fonte di energia verde.

A marzo 2017, un gruppo di fisici del CNI ha inventato il nanogeneratore triboelettrico ultrasemplice, o U-TENG - un piccolo dispositivo fatto semplicemente di plastica e nastro adesivo che genera elettricità dal movimento e dalle vibrazioni. Quando i due materiali vengono uniti, battendo le mani o battendo i piedi, ad esempio - viene generata una tensione che viene rilevata da un cavo, circuito esterno. Energia elettrica, attraverso il circuito, viene quindi immagazzinato in un condensatore o in una batteria fino a quando non è necessario.

Nove mesi dopo, in un articolo pubblicato sulla rivista Materiali energetici avanzati , i ricercatori hanno scoperto una versione wireless di TENG, chiamato W-TENG, che amplia notevolmente le applicazioni della tecnologia.

Il W-TENG è stato progettato con la stessa premessa dell'U-TENG, utilizzando materiali che sono così opposti nell'affinità per gli elettroni da generare una tensione quando vengono messi in contatto l'uno con l'altro.

Nel W-TENG, la plastica è stata sostituita con una fibra multiparte fatta di grafene - un singolo strato di grafite, o mina di matita - e un polimero biodegradabile noto come acido polilattico (PLA). PLA, da solo, è ottimo per separare cariche positive e negative, ma non è così eccezionale nel condurre l'elettricità, motivo per cui i ricercatori l'hanno abbinato al grafene. Nastro Kapton, il materiale che cattura gli elettroni dell'U-TENG - è stato sostituito con Teflon, un composto noto per rivestire pentole antiaderenti.

"Usiamo il teflon perché ha molti gruppi di fluoro che sono altamente elettronegativi, mentre il grafene-PLA è altamente elettropositivo. Questo è un buon modo per giustapporre e creare tensioni elevate, " disse Ramakrishna Podila, autore corrispondente dello studio e assistente professore di fisica alla Clemson.

Per ottenere il grafene, i ricercatori hanno esposto il suo composto genitore, grafite, ad un'onda sonora ad alta frequenza. L'onda sonora agisce quindi come una sorta di coltello, affettare il "mazzo di carte" che è la grafite in uno strato dopo l'altro di grafene. Questo processo, chiamato sonicazione, è così che CNI è in grado di aumentare la produzione di grafene per soddisfare le esigenze di ricerca e sviluppo del W-TENG e di altre invenzioni di nanomateriali in fase di sviluppo.

Dopo aver assemblato la fibra grafene-PLA, i ricercatori hanno sfruttato la produzione additiva, altrimenti nota come stampa 3D, per inserire la fibra in una stampante 3D, e nacque il W-TENG.

Il risultato finale è un dispositivo che genera una tensione massima di 3000 volt, sufficiente per alimentare 25 prese elettriche standard, o su una scala più grande, vetri oscurati o un monitor con display a cristalli liquidi (LCD). Poiché la tensione è così alta, il W-TENG genera intorno a sé un campo elettrico che può essere rilevato in modalità wireless. La sua energia elettrica, pure, può essere memorizzato in modalità wireless in condensatori e batterie.

"Non può solo darti energia, ma puoi usare il campo elettrico anche come telecomando attuato. Per esempio, puoi toccare il W-TENG e utilizzare il suo campo elettrico come un "pulsante" per aprire la porta del tuo garage, oppure potresti attivare un sistema di sicurezza, il tutto senza batteria, passivamente e senza fili, "ha detto Sai Sunil Mallineni, il primo autore dello studio e un dottorato di ricerca. studente di fisica e astronomia.

Le applicazioni wireless del W-TENG sono abbondanti, estendendosi a contesti con risorse limitate, come nello spazio esterno, nel mezzo dell'oceano o persino sul campo di battaglia militare. Come tale, Podila dice che c'è un preciso uso filantropico per l'invenzione della squadra.

"Diversi paesi in via di sviluppo richiedono molta energia, anche se potremmo non avere accesso a batterie o prese di corrente in tali impostazioni, " Podila ha detto. "Il W-TENG potrebbe essere uno dei modi più puliti per generare energia in queste aree".

Il team di ricercatori, guidato ancora da Malineni, è in procinto di brevettare il W-TENG attraverso la Clemson University Research Foundation. Professor Apparao Rao, direttore del Clemson Nanomaterials Institute, è anche in trattative con partner industriali per iniziare a integrare il W-TENG nelle applicazioni energetiche.

Però, prima della produzione industriale, Podila afferma che sono in corso ulteriori ricerche per sostituire il teflon con un più rispettoso dell'ambiente, materiale elettronegativo. Un contendente per la riprogettazione è MXene, un composto inorganico bidimensionale che ha la conduttività di un metallo di transizione e la natura amante dell'acqua di alcoli come il propanolo. Yongchang Dong, un altro laureando al CNI, ha guidato il lavoro sulla dimostrazione del MXene-TENG, che è stato pubblicato in un articolo del novembre 2017 sulla rivista Nano energia . Anche Herbert Behlow e Sriparna Bhattacharya del CNI hanno contribuito a questi studi.

Il W-TENG avrà un impatto nel regno dell'alternativa, energie rinnovabili? Rao dice che si ridurrà all'economia,

"Possiamo arrivare solo al punto in cui siamo scienziati; l'economia deve funzionare affinché il W-TENG abbia successo, " ha detto Rao.