Elastyczne arkusze wychwytują energię z ruchu

Naukowcy z Princeton University stworzyli elastyczny materiał, który pod wpływem stresu gromadzi rekordowe ilości energii. Naukowcy twierdzą, że materiał ten może zostać użyty w podeszwach butów, aby zasilać przenośną elektronikę, a nawet umieścić go na płucach pacjenta z sercem, aby naładować rozrusznik serca podczas oddychania.

Wykorzystaj swoją moc: Badacz z Princeton trzyma kwadrat silikonu osadzony wstążką z krystalicznego materiału, który po zgięciu generuje prąd elektryczny.

Zbierająca energię guma umieszcza wstęgi materiału piezoelektrycznego zwanego PZT między kawałkami silikonu. Pod wpływem obciążenia mechanicznego materiał piezoelektryczny generuje napięcie, które może być wykorzystane do wytworzenia prądu elektrycznego; prąd można również przekształcić z powrotem w ruch mechaniczny.

Gumowy materiał może wykorzystać 80 procent energii zastosowanej podczas zginania – cztery razy więcej niż istniejące elastyczne materiały piezoelektryczne.

Elastyczność może okazać się kluczowa, jeśli technologia pozyskiwania energii ma wystartować. Na przykład wojsko testowało buty piezoelektryczne ze sztywną podeszwą jako źródło zasilania, ale żołnierze skarżyli się na bóle stóp. Wcześniejsze elastyczne urządzenia do pozyskiwania energii — oparte na polimerach piezoelektrycznych, nanoprzewodach lub innych rodzajach kryształów — wytwarzały niewiele prądu elektrycznego.

PZT jest najbardziej wydajnym znanym materiałem piezoelektrycznym, ale jego krystaliczna struktura powoduje, że musi być hodowany w wysokich temperaturach, które normalnie topią elastyczne podłoże. Naukowcy z Princeton, kierowani przez profesora inżynierii mechanicznej Michael McAlpine , obeszło to robiąc PZT w wysokich temperaturach, a następnie przenosząc cienkie wstęgi materiału na silikon.

Najpierw naukowcy poddają PZT chemiczną kąpiel trawiącą, która usuwa cienką wstęgę z powierzchni kryształu. Następnie używają stempla polimerowego, aby podnieść wstążkę i umieścić ją na silikonowej folii, a następnie przykryć drugim kawałkiem silikonu i uszczelnić. Wszystkie procesy, których używamy do produkcji elastycznych taśm PZT, są niezwykle proste i nieskomplikowane, mówi McAlpine. Co najważniejsze, naukowcy odkryli, że proces ten nie wpływa negatywnie na wydajność konwersji energii PZT.

Testy proof-of-concept opisane w tym tygodniu w czasopiśmie Litery nano pokazują, że gumowane taśmy PZT zachowują wysoką sprawność konwersji mocy. McAlpine twierdzi, że prosty proces drukowania powinien łatwo skalować się do większych arkuszy; złożył patent na ten proces.

McAlpine koncentruje się szczególnie na zastosowaniach biomedycznych tego materiału i twierdzi, że może to zmniejszyć liczbę operacji, które muszą przejść pacjenci z implantami. Na przykład lekarze mogą przyłożyć do płuc arkusz generujący energię podczas początkowej operacji; Ciągły ruch narządów może pomóc w naładowaniu baterii, mówi McAlpine.

Jim Grotberg , profesor chirurgii i inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Michigan, mówi, że bezprzewodowe monitorowanie i dostarczanie leków pacjentom z przewlekłymi problemami medycznymi to inne potencjalne zastosowania. Jeśli masz czujnik, który monitoruje tętno, aktywność mózgu lub ciśnienie krwi albo wszczepialny system do wstrzykiwania insuliny, potrzebujesz baterii – mówi.

Sam PZT nie jest biokompatybilny – p pochodzi od symbolu chemicznego ołowiu, jednego z jego składników obok cyrkonu i tytanu. Ale kryształowe wstążki są całkowicie zamknięte w silikonie, materiale zatwierdzonym przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków do implantów medycznych.

Nawet testy na zwierzętach są jeszcze daleko. Ale naukowcy z Princeton tworzą teraz prototypowe urządzenia z arkuszy, aby sprawdzić, ile energii elektrycznej mogą wytworzyć, gdy zostaną wbudowane w buty.

ukryć