Forskare från Clemsons Nanomaterials Institute (CNI) är ett steg närmare att trådlöst driva världen med triboelektricitet, en grön energikälla
För ungefär ett år sedan uppfann ett fysikerlag på CNI den extremt enkla triboelektriska nanogeneratorn (U-TENG). U-TENG tillverkad av plast och tejp är en liten enhet som genererar elektricitet från rörelse och vibrationer. Genom att klappa eller knacka på fötterna genererade den spänning som ytterligare tas emot av en extern krets och lagras i kondensator eller batteri tills den laddas.
Cirka nio månader senare publicerade forskarna en uppsats i tidskriften Advanced Energy Materials, där de uppgav att de gjorde en trådlös TENG eller W-TENG. W-TENG tillverkas också av samma forskare av U-TENG. I W-TENG ersätts plasten med grafen (ett enda lager grafitbly) och polymjölksyra (PLA). PLA är bättre på att separera positiva och negativa laddningar men inte att leda elektricitet, på grund av detta parar forskare det med grafen. Kapton-tejp som är det elektriskt gripande materialet i U-TENG byts ut med Teflon i W-TENG.
Efter att ha fått grafen genom processen med "ultraljudsbehandling" och PLA-fiber och fyllt den i en 3-D-skrivare gjorde de framgångsrikt W-TENG.
”Vi använder Teflon eftersom det har många fluorgrupper som är mycket elektronegativa, medan grafen-PLA är mycket elektropositiv. Det är ett bra sätt att jämföra och skapa höga spänningar, säger Ramakrishna Podila, motsvarande författare till studien och en biträdande professor i fysik vid Clemson.
W-TENG kan generera maximalt 3000 volt vilket är tillräckligt för att driva upp 25 standarduttag eller en LCD-skärm. På grund av hög spänning genererar W-TENG ett elektriskt fält runt sig själv som kan kännas trådlöst. Så den trådlösa elen kan lagras i kondensator och batterier.
”Det kan inte bara ge dig energi, men du kan också använda det elektriska fältet som en manövrerad fjärrkontroll. Du kan till exempel trycka på W-TENG och använda dess elektriska fält som en "knapp" för att öppna din garageport, eller så kan du aktivera ett säkerhetssystem - allt utan batteri, passivt och trådlöst ", säger Sai Sunil Mallineni, första författare till studien och en doktorsexamen student i fysik och astronomi.
W-TENG har många applikationer som i yttre rymden, mitt i havet eller till och med slagfältet. "Flera utvecklingsländer kräver mycket energi, även om vi kanske inte har tillgång till batterier eller eluttag i sådana inställningar, och det finns en bestämd filantropisk användning för teamets uppfinning", sa Podila. "W-TENG kan vara ett av de renare sätten att generera energi i dessa områden."
Forskarens team styrs igen av Mallineni, i processen att patentera W-TENG genom Clemson University Research Foundation. Professor Apparao Rao, chef för Clemson Nanomaterials Institute, diskuterade med industripartner för att integrera W-TENG i energitillämpningen.
Innan den industriella produktionen påbörjades sa Podila att mer forskning måste göras för att byta Teflon med ett mer miljövänligt elektronregativt material. Yongchang Dong, en annan student vid CNI, ledde arbetet med demonstration av MXene-TENG som publicerades i en artikel i tidskriften Nano Energy nära november 2017. Herbert Behlow och Sriparna Bhattacharya från CNI delar också ut till dessa studier.
Kommer W-TENG att påverka inom området för alternativa förnybara energier? Rao sa att det kommer att handla om ekonomi.
”Vi kan bara ta det så långt som forskare; ekonomin måste träna för att W-TENG ska lyckas, säger Rao.