Immagina un dispositivo in grado di resistere anche agli incendi più intensi in modo da poter segnalare automaticamente agli altri quando un pompiere è immobilizzato sul posto di lavoro.

I ricercatori dell'UCLA e i colleghi di altre due università hanno progettato il primo ritardante di fiamma, sensore di movimento autoestinguente e generatore di corrente. Il dispositivo, che è la dimensione di un quarto, potrebbe essere incorporato in scarpe o indumenti indossati dai vigili del fuoco, trivellatori di petrolio o altre persone il cui lavoro comporta temperature estreme o ambienti difficili.

La ricerca, che è stato pubblicato nella rivista Nano energia , era guidata da Richard Kaner, Dr. Myung Ki Hong Endowed Chair dell'UCLA in Materials Innovation e membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA.

Il sensore autoalimentato è un tipo di nanogeneratore triboelettrico. La carica triboelettrica genera energia dallo scambio di elettroni quando un materiale si sfrega contro un altro, in questo caso, il dispositivo stesso e gli indumenti o la pelle di chi lo indossa, o il dispositivo e la terra. Il fenomeno è lo stesso di quello che crea una scossa elettrica quando si tocca la maniglia di una porta dopo aver strofinato i piedi su un tappeto.

Il dispositivo, che gli scienziati hanno soprannominato FRTENG (per "nanogeneratore triboelettrico ignifugo"), può rilevare quando i portatori sono in pericolo o disabili perché può percepire la differenza tra camminare, in esecuzione, salto e immobilità.

"Movimenti diversi creano segnali elettrici con tensioni e correnti diverse, " disse Maher El-Kady, un assistente ricercatore presso l'UCLA e coautore dello studio. "Queste diverse correnti ci consentono di identificare se e come qualcuno si sta muovendo, quindi il dispositivo potrebbe essere integrato nelle scarpe di un pompiere, Per esempio, e inviare un segnale di aiuto in modalità wireless in caso di emergenza."

Esistono già nanogeratori triboelettrici, ma poiché utilizzano materiali come plastica e tessuti infiammabili, i modelli attuali non possono resistere al fuoco o a temperature estreme, ha detto Kaner, che è anche un illustre professore di chimica e biochimica, e di scienza e ingegneria dei materiali.

Per superare quell'ostacolo, il nuovo dispositivo è costituito da un aerogel di carbonio inventato dai ricercatori. L'aerogel è allo stesso tempo estremamente leggero (il 95% del suo volume è aria) e stabile alle alte temperature, che lo rende ideale per l'uso in un dispositivo ignifugo.

"L'aerogel di carbonio conduce l'elettricità in modo efficiente e contiene materiali che rispettano l'ambiente, " El-Kady ha detto. "Perché l'aerogel è così leggero, chi lo indossa non sentirebbe nemmeno il dispositivo."

Per formare l'aerogel, i ricercatori hanno mescolato due sostanze chimiche, formaldeide e resorcina, con fibre di poliacrilonitrile e fogli di ossido di grafene spessi solo nanometri:un nanometro equivale a un miliardesimo di metro, o circa 1/75, 000esimo della larghezza di un capello umano, per creare un gel. Le nanofibre e i nanofogli forniscono supporto per il materiale ultraleggero.

Hanno poi asciugato il gel per rimuovere il contenuto liquido, e lo riscaldò in una piccola camera piena di idrogeno, lasciando dietro di sé un nanocomposito di aerogel di carbonio resistente ma leggero.

"Utilizzando la ricarica triboelettrica, l'aerogel in carbonio funziona come un sensore di movimento e un generatore di corrente, " disse Abdelsalam Ahmed, il primo autore dello studio, uno studioso in visita presso la McMaster University. "A differenza dei sensori tradizionali che si affidano alle batterie per la loro alimentazione, il nuovo dispositivo può funzionare indefinitamente senza la necessità di alcuna fonte di alimentazione."

Per testare la resistenza al fuoco del dispositivo, gli scienziati lo hanno esposto a una fiamma di butano per 90 secondi. Scoprirono che non solo non propagava il fuoco, ma che era autoestinguente. E, anche a 200 gradi Celsius, la struttura del dispositivo è stata preservata e la sua potenza elettrica è rimasta stabile. A quella temperatura, la maggior parte dei dispositivi triboelettrici convenzionali perde prestazioni o addirittura prende fuoco, ha detto Kaner.

El-Kady ha affermato che il nuovo dispositivo potrebbe essere utile anche nelle missioni spaziali, per tracciare i segni vitali degli astronauti o per generare energia di emergenza, Per esempio. Le temperature estreme spesso impediscono l'uso di altri dispositivi elettronici durante il volo spaziale.