De populariteit van draagbare elektronica heeft geleid tot vraag naar hun onderdelen, waaronder stroombronnen zoals tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s). Dergelijke krachtbronnen moeten zowel rekbaar als krachtig zijn en gedurende urenlang onder verschillende vervormingsomstandigheden standhouden.
Om het ontwerp en de prestaties van TENG’s te verbeteren, combineerden Penn State-onderzoekers een poreus 2D-materiaal dat bekend staat als MXene en lasergeïnduceerd grafeenschuim nanocomposiet om een materiaalsysteem te vormen dat een TENG in staat stelt om rekbaar te zijn en te presteren op dynamische oppervlakken, zoals de menselijke huid of het blad van een plant.
De onderzoekers publiceerden hun nieuwe ontwerp op 1 december Nano-energie.
“Met de combinatie van de twee materialen kan de TENG uitrekken onder verschillende niveaus van vervormbaarheid, terwijl de kinetische beweging wordt voortgezet om het apparaat van stroom te voorzien.” zei Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Universitair hoofddocent Engineering Science and Mechanics aan het Penn State College of Engineering.
Het werk bouwt voort op eerder onderzoek naar zelfaandrijvende supercondensatoren voor gebruik in draagbare sensoren, maar in het verleden waren de TENG’s niet intrinsiek rekbaar, aldus Cheng. De poreuze nanocomposieten van MXeen-grafeenschuim maken dat mogelijk.
De TENG heeft een aantal unieke toepassingen, onder meer voor gebruik in personal training.
“Het apparaat kan een personal trainer een signaal geven als hun cursist met behulp van een draagbare sensor in de juiste positie staat voor een oefening of zich uitrekt of te ver beweegt in een richting die gevaarlijk kan zijn,” zei Cheng. “Het kan de trainer ook waarschuwen als zijn leerling overtraint.”
De TENG kan ook worden toegepast op wisselende oppervlakken zoals een plantenblad.
“Typische sensoren kunnen niet groeien of vervormen met de veranderende aard van een blad,” zei Cheng. “Dit apparaat kan dagen, weken, maanden of jaren worden gebruikt terwijl het groeit en zich uitstrekt met het blad met continue zelfvoeding.”
Wanneer toegepast op een kamerplant, kan een TENG-sensor een passerende indringer detecteren door de wind te voelen die de persoon creëert. De sensor kan dan een alarmsysteem laten klinken of lampen in huis aanzetten om de indringer af te schrikken.
De sensor kan ook op een waterkraan worden aangebracht en kleine druppeltjes detecteren als ze vallen.
“Het kan helpen energie en hulpbronnen te besparen door een gebruiker te waarschuwen dat er een lek is,” zei Cheng.
Meer informatie:
Li Yang et al, Volledig rekbare, poreuze nanocomposieten van MXeen-grafeenschuim voor het oogsten van energie en zelfaangedreven detectie, Nano-energie (2022). DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107807
Tijdschrift informatie:
Nano-energie
Aangeboden door Pennsylvania State University