Nanodunne piëzo-elektrische systemen bevorderen zelfaangedreven elektronica

Een nieuw type ultra-efficiënt, nanodun materiaal zou zelfaangedreven elektronica en draagbare technologieën kunnen bevorderen en zelfs pacemakers kunnen leveren die worden aangedreven door hartslagen.

Het flexibele en bedrukbare piëzo-elektrische materiaal, dat mechanische druk kan omzetten in elektrische energie, is ontwikkeld door een Australisch onderzoeksteam onder leiding van RMIT University.

Het is 100.000 keer dunner dan een mensenhaar en 800% efficiënter dan andere piëzo-elektrische apparaten op basis van vergelijkbare niet-giftige materialen.

Belangrijk is dat onderzoekers zeggen dat het gemakkelijk kan worden vervaardigd via een kosteneffectieve en commercieel schaalbare methode, met behulp van vloeibare metalen.

Hoofdonderzoeker Dr. Nasir Mahmood zei het materiaal, gedetailleerd in een nieuw Materialen vandaag studie, was een belangrijke stap in de richting van het realiseren van het volledige potentieel van bewegingsgestuurde apparaten voor het oogsten van energie.

“Tot nu toe waren de best presterende nanodunne piëzo-elektrische systemen gebaseerd op lood, een giftig materiaal dat niet geschikt is voor biomedisch gebruik”, aldus Mahmood, een vice-kanselier Research Fellow bij RMIT.

“Ons nieuwe materiaal is gebaseerd op niet-giftig zinkoxide, dat ook licht van gewicht is en compatibel met silicium, waardoor het gemakkelijk in de huidige elektronica kan worden geïntegreerd.

“Het is zo efficiënt dat alles wat je nodig hebt een enkele laag van 1,1 nanometer van ons materiaal is om alle energie te produceren die nodig is voor een volledig zelfvoorzienend nanotoestel.”

De potentiële biomedische toepassingen van het materiaal zijn onder meer interne biosensoren en zelfvoorzienende biotechnologieën, zoals apparaten die de bloeddruk omzetten in een stroombron voor pacemakers.

De nanodunne piëzo-elektriciteit zou ook kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van slimme oscillatiesensoren om fouten in infrastructuur zoals gebouwen en bruggen te detecteren, vooral in gebieden die gevoelig zijn voor aardbevingen.

Voorbeelden van technologieën voor het oogsten van energie die kunnen worden geleverd door het nieuwe materiaal te integreren, zijn onder meer slimme hardloopschoenen voor het opladen van mobiele telefoons en slimme voetpaden die energie uit voetstappen halen.

Flexibele nanogenerator: hoe het materiaal wordt gemaakt

Het nieuwe materiaal wordt geproduceerd met behulp van een methode voor het printen van vloeibaar metaal, een pionier bij RMIT.

Zinkoxide wordt eerst verhit totdat het vloeibaar wordt. Dit vloeibare metaal vormt, eenmaal blootgesteld aan zuurstof, een nano-dunne laag bovenop, zoals de huid van verwarmde melk wanneer deze afkoelt.

Het metaal wordt vervolgens over een oppervlak gerold om nanodunne vellen van de zinkoxidehuid af te drukken.

De innovatieve techniek kan snel grootschalige vellen van het materiaal produceren en is compatibel met elk productieproces, inclusief roll-to-roll (R2R) -verwerking.

De onderzoekers werken nu aan ultrasone detectoren voor gebruik bij defensie- en infrastructuurbewaking, en onderzoeken de ontwikkeling van nanogeneratoren voor het oogsten van mechanische energie.

“We zijn erop gebrand commerciële samenwerkingsmogelijkheden te onderzoeken en met relevante industrieën samen te werken om toekomstige energieopwekkende nanodevices op de markt te brengen”, aldus Mahmood.