Onderzoekers creëren een energiegenererend, op gel-electret gebaseerd apparaat voor draagbare sensoren

Een team van onderzoekers van NIMS (National Institute for Materials Science), Hokkaido University en Meiji Pharmaceutical University heeft een gel-elektret ontwikkeld dat in staat is om op stabiele wijze een grote elektrostatische lading vast te houden. Het team combineerde deze gel vervolgens met zeer flexibele elektroden om een ​​sensor te creëren die laagfrequente trillingen (bijvoorbeeld trillingen gegenereerd door menselijke bewegingen) kan waarnemen en deze kan omzetten in uitgangsspanningssignalen. Dit apparaat kan mogelijk worden gebruikt als draagbare gezondheidszorgsensor.

De studie is gepubliceerd in het journaal Angewandte Chemie Internationale Editie.

De belangstelling voor de ontwikkeling van zachte, lichtgewicht, energieopwekkende materialen is de afgelopen jaren toegenomen voor gebruik in zachte elektronica die voor verschillende doeleinden is ontworpen, zoals de gezondheidszorg en robotica. Electretmaterialen die in staat zijn om op stabiele wijze elektrostatische lading vast te houden, kunnen worden gebruikt om door trillingen aangedreven apparaten te ontwikkelen zonder externe stroombronnen.

NIMS heeft leiding gegeven aan de inspanningen om een ​​laagvluchtige alkyl-π-vloeistof op kamertemperatuur te ontwikkelen, bestaande uit een π-geconjugeerde kleurstofgroep en flexibele maar vertakte alkylketens (een soort koolwaterstofverbinding). De alkyl–π-vloeistoffen vertonen uitstekende eigenschappen voor het vasthouden van lading, kunnen op andere materialen worden aangebracht (bijvoorbeeld door middel van verven en impregneren) en zijn gemakkelijk vervormbaar.

Wanneer deze vloeistoffen echter worden gecombineerd met elektroden om flexibele apparaten te creëren, blijken ze moeilijk te immobiliseren en af ​​te dichten, wat resulteert in lekkageproblemen. Bovendien moesten de elektrostatische ladingretentiecapaciteiten van alkyl-π-vloeistoffen worden vergroot om hun vermogen tot energieopwekking te verbeteren.

Het onderzoeksteam is er onlangs in geslaagd een alkyl-π-gel te creëren door een sporenhoeveelheid van een laagmoleculaire gelator aan een alkyl-π-vloeistof toe te voegen. De elastische opslagmodulus van deze gel bleek 40 miljoen keer groter te zijn dan die van zijn vloeibare tegenhanger, en deze kon worden vereenvoudigd door fixatie en verzegeling.

Bovendien bereikte het gel-elektret dat werd verkregen door het opladen van deze gel een toename van 24% in ladingsbehoud vergeleken met het basismateriaal (dwz de alkyl-π-vloeistof), dankzij de verbeterde opsluiting van elektrostatische ladingen in de gel. Het team combineerde vervolgens flexibele elektroden met de gel-elektret om een ​​trillingssensor te creëren. Deze sensor kon trillingen waarnemen met frequenties zo laag als 17 Hz en deze omzetten in een uitgangsspanning van 600 mV – 83% hoger dan de spanning die wordt gegenereerd door een op alkyl-π vloeibare elektret gebaseerde sensor.

In toekomstig onderzoek wil het team draagbare sensoren ontwikkelen die kunnen reageren op subtiele trillingen en verschillende spanningsvervormingen door de eigenschappen van het opladende elektreet (dwz de laadcapaciteit en de levensduur van de lading) en de sterkte van de alkyl-π-gel verder te verbeteren. Omdat deze gel recyclebaar en herbruikbaar is als materiaal voor trillingssensoren, wordt bovendien verwacht dat het gebruik ervan een circulaire economie zal helpen bevorderen.