L'autonomia è una caratteristica molto attesa dei microsistemi di prossima generazione, come sensori remoti, gadget elettronici indossabili, biosensori impiantabili e nanorobot. I ricercatori KAUST guidati da Husam Alshareef, Jr-Hau He e Khaled Salama hanno sviluppato piccoli dispositivi autonomi integrando unità di alimentazione esenti da manutenzione che producono e utilizzano il proprio carburante invece di fare affidamento su una fonte di alimentazione esterna.

I nanogeneratori triboelettrici (TENG) catturano l'energia meccanica dall'ambiente circostante, come vibrazioni e movimenti casuali prodotti dall'uomo, e convertirlo in energia elettrica. In questi minuscoli generatori, il contatto per attrito tra materiali di diversa polarità crea superfici di carica opposta. L'attrito ripetuto fa sì che gli elettroni saltino tra queste superfici, conseguente tensione elettrica.

"Abbiamo sfruttato questo effetto triboelettrico per raccogliere energia da semplici movimenti, come battere le mani, tocco delle dita e movimento della mano di routine, per pilotare diversi tipi di sensori, " dice Alshareef.

I ricercatori hanno sviluppato un fotorilevatore autoalimentato accoppiando il polimero a base di silicone polidimetilsilossano (PDMS) come TENG con un materiale chiamato perovskite ad alogenuri organometallici. Il materiale a base di alogenuro di piombo presenta proprietà optoelettroniche che sono desiderabili nelle celle solari e nei diodi emettitori di luce.

Per semplificare il loro design ed eliminare la necessità di un attuatore di movimento, Il suo team ha fabbricato il fotorilevatore utilizzando due fogli multistrato a base di polimeri separati da un piccolo spazio. Un foglio comprendeva il film ultrasottile di perovskite mentre l'altro conteneva uno strato di PDMS. Il divario ha permesso al team di sfruttare l'effetto triboelettrico quando il dispositivo è stato attivato toccando le dita.

"Il dispositivo autoalimentato ha mostrato un'eccellente reattività alla luce incidente, soprattutto se esposto a luce di bassa intensità, "dice Mark Leung, l'autore principale dello studio sul fotorilevatore. Grazie ai suoi componenti polimerici flessibili e trasparenti, ha anche mantenuto le sue prestazioni dopo essere stato piegato 1, 000 volte e indipendentemente dall'orientamento della luce incidente.

Spingendo ulteriormente i confini, i ricercatori hanno progettato un braccialetto autoalimentato indossabile in grado di immagazzinare l'energia meccanica convertita combinando un nanogeneratore di silicone incorporato in fibra di carbonio con microsupercondensatori MXene².

Hanno incorporato nanogeneratori e condensatori elettrochimici miniaturizzati in un unico dispositivo monolitico racchiuso in gomma siliconica. Il guscio a prova di perdite ed estensibile ha fornito un braccialetto flessibile e morbido che si adattava perfettamente al corpo. Le fluttuazioni nella separazione pelle-silicone hanno alterato l'equilibrio di carica tra gli elettrodi, facendo scorrere gli elettroni avanti e indietro attraverso il TENG e il microsupercondensatore per caricarsi.

Oltre a mostrare una maggiore durata del ciclo e tempi di ricarica brevi, I microsupercondensatori MXene possono accumulare più energia in una determinata area rispetto a film sottili e micro-batterie, offrendo unità di accumulo di energia su piccola scala più veloci ed efficaci per l'elettricità generata da TENG. Quando attivo, il braccialetto può utilizzare l'energia immagazzinata per azionare vari dispositivi elettronici, come orologi e termometri.

"Il nostro obiettivo finale è sviluppare una piattaforma di sensori autoalimentati per il monitoraggio personalizzato della salute, " dice il dottorando Qiu Jiang, l'autore principale del progetto della banda auto-ricaricante. Il team sta ora pianificando di introdurre sensori nel sistema per rilevare i biomarcatori nel sudore umano.