Formati dall'effetto di accoppiamento dell'elettrificazione del contatto e dell'induzione elettrostatica, i nanogeneratori triboelettrici (TENG) convertono efficacemente la micro-nanoenergia più ampiamente distribuita nel nostro ambiente, compresi il movimento umano, la brezza, le vibrazioni e le precipitazioni, in energia elettrica, fornendo una soluzione sostenibile per alimentare una pletora di sensori che l'attuale alimentazione a batteria non è riuscita a gestire.
Tuttavia, la corrente di uscita e la potenza di TENG sono limitate a causa della bassa densità di carica superficiale.
Le cariche acquisite sulla superficie triboelettrica rimangono limitate e instabili, rendendo necessarie ulteriori strategie per aumentare la corrente di uscita e la densità di potenza. Inoltre, il rilevamento triboelettrico ha una risoluzione scarsa e rientra nella normativa sul rilevamento su scala macro. Inoltre, TENG possiede un'impedenza interna capacitiva intrinseca, che richiede un'efficace strategia di gestione della potenza per ridurre l'impedenza di uscita di TENG e soddisfare le esigenze dell'elettronica e dei sistemi autoalimentati.
In risposta alle sfide affrontate dal TENG, il gruppo del Prof. Chi Zhang dell'Istituto di Nanoenergia e Nanosistemi di Pechino ha realizzato tre rami della tribotronica che affrontano queste sfide incorporando materiali e tecnologie semiconduttori, vale a dire l'effetto tribovoltaico, l'effetto del campo triboelettrico e gestione dell'energia triboelettrica.
Realizzano il dispositivo triboelettrico con elevata densità di potenza, transistor triboelettrici con effetto gate su scala nanometrica e sistemi triboelettrici autoalimentati con fornitura di energia ad alta efficienza, ed è stata effettuata la dimostrazione applicativa di nodi sensori wireless autoalimentati per il settore industriale. /P>
Pubblicato su International Journal of Extreme Manufacturing , questa ricerca, riassumendo i recenti progressi nel campo della tribotronica, mira a promuovere lo sviluppo di nuovi apparecchi triboelettrici e microsistemi autoalimentati nei campi della produzione intelligente, delle reti di sensori wireless e dell'Internet delle cose industriale.
Il professor Chi Zhang, il principale ricercatore, ha affermato:"Con materiali semiconduttori anziché isolanti come materiali di attrito per TENG, è stata osservata la generazione di energia in corrente continua, chiamata effetto tribovoltaico. Rispetto al TENG, il generatore tribovoltaico non è limitato da la densità di carica superficiale, che aumenta la densità di corrente di un ordine di grandezza e presenta vantaggi nell'elevata densità di potenza."
L'effetto tribovoltaico si verifica sull'interfaccia del semiconduttore. Quando si applica l'attrito allo strato dielettrico sulla superficie del semiconduttore, il potenziale triboelettrico generato dall'attrito può essere utilizzato per regolare il trasporto dei portatori nel semiconduttore. Il coautore Dr. Junqing Zhao ha affermato:"Il potenziale triboelettrico generato dal TENG può essere utilizzato come tensione di gate in un transistor ad effetto di campo, in base al quale è possibile realizzare il rilevamento meccanico attivo e il rilevamento tattile su scala nanometrica."
Oltre allo studio dell'elettronica dei sistemi di attrito interfacciali, viene proposto il metodo di gestione della potenza triboelettrica basato su TENG utilizzando la tecnologia dei semiconduttori per migliorare l'efficienza dell'approvvigionamento energetico. Il dottor Junqing Zhao ritiene:"La strategia di gestione energetica della riduzione dell'impedenza basata sulla tecnologia dei dispositivi a semiconduttore migliora l'effetto di alimentazione per sensori e microsistemi, rivoluzionando l'applicazione dei dispositivi tribotronici nel campo delle reti di rilevamento autoalimentate."
Il professor Chi Zhang ha affermato:"La tribotronica è un nuovo campo che esplora l'interazione tra triboelettricità e semiconduttori. Da un lato, la ricerca si concentra sull'elettronica dei sistemi di attrito interfacciale, come l'effetto tribovoltaico e l'effetto di campo triboelettrico, per sviluppare dispositivi tribotronici per l'energia conversione, rilevamento attivo e controllo."
"D'altra parte, la ricerca si concentra sulla tecnologia triboelettrica attraverso l'elettronica, comprendendo la modulazione dell'energia, lo stoccaggio e l'utilizzo della triboelettricità, consentendo così una raccolta efficiente di energia micromeccanica e fornendo soluzioni microenergetiche per il rilevamento distribuito."
"Tuttavia, in questa fase permangono alcuni problemi, tra cui la ricerca approfondita del meccanismo di conversione dell'energia per l'effetto tribovoltaico, lo sviluppo di nuovi dispositivi tribotronici combinando materiali innovativi con la tecnologia di produzione e il miglioramento della gestione dell'energia triboelettrica per esplorarne appieno il potenziale nuove applicazioni elettromeccaniche"
"Unendosi a una varietà di discipline come la nanoenergia e i sistemi microelettromeccanici, la tribotronica amplierà le potenziali applicazioni in nuovi campi come il rilevamento intelligente, la scienza energetica, l'interfaccia uomo-macchina e la bioscienza."
Ulteriori informazioni: Chi Zhang et al, Tribotronica:un campo emergente accoppiando triboelettricità e semiconduttori, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ace669
Fornito dall'International Journal of Extreme Manufacturing
