Flexible Ladungspumpe: Ernten mechanischer Energie durch Zinkoxiddrähte

Flexible Ladungspumpe: Ernten mechanischer Energie durch Zinkoxiddrähte

Forscher des Georgia Institute of Technology entwickelten einen neuen Typ eines kleinen elektrischen Stromgenerators, der auf der Dehnung und Freisetzung von Zinkoxiddrähten basiert, die in einem flexiblen Kunststoff mit zwei verbundenen Enden eingekapselt sind.

Sie nannten ihr neues Gerät "flexible Ladungspumpe", und es ist die vierte Generation solcher Erfindungen, die die piezoelektrischen Eigenschaften von Zinkoxidstrukturen ernten. Es ist im Grunde eine neue Art von Maschine zur Umwandlung von Elektrizität in Elektrizität.

"Die flexible Ladungspumpe bietet eine weitere Option, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln", sagte Zhong Lin Wang, Regents Professor und Direktor des Zentrums für Nanostruktur-Charakterisierung am Georgia Institute of Technology. "Dies ergänzt unsere Familie von sehr kleinen Generatoren, die in der Lage sind, Geräte zu betreiben, die in der medizinischen Sensorik, der Umweltüberwachung, der Verteidigungstechnologie und der persönlichen Elektronik verwendet werden."

Die Spannung dieser piezoelektrischen Vorrichtung ist nicht sehr hoch, tatsächlich beträgt sie nur 45 mV (Millivolt - 45 Tausendstel Volt). Seine Anwendungen sind in sehr kleinen Geräten, wie zum Beispiel zukünftigen Nano-Robotern, oder in medizinischen Implantaten. Seine Effizienz wird auf etwa 7% geschätzt.

Wangs Team hatte vor anderen Nanodraht-Nanogeneratoren und Mikrofaser-Generatoren entwickelt, aber sie waren schwierig zu konstruieren, und der erforderliche mechanische Kontakt verursachte Verschleiß, der die Betriebsdauer begrenzte. Da Zinkoxid in Wasser löslich ist, mussten sie vor Feuchtigkeit geschützt werden: "Unsere neue flexible Ladungspumpe löst mehrere wichtige Probleme mit unseren früheren Generatoren", sagte Wang. "Das neue Design wäre robuster und beseitigt das Problem des Eindringens von Feuchtigkeit und des Verschleißes der Strukturen. Aus praktischer Sicht wäre dies ein großer Vorteil. "

Um den erzeugten Strom zu erhöhen, könnten Anordnungen der flexiblen Ladungspumpen aufgebaut und in Reihe geschaltet werden. Mehrere Schichten der Generatoren könnten auch aufgebaut werden, um Module zu bilden, die dann in Kleidung, Fahnen, Gebäudedekorationen, Schuhe - oder sogar in den Körper implantiert werden könnten, um den Blutdruck oder andere Sensoren anzutreiben.

Wenn die Module mechanisch gedehnt und dann freigegeben werden, erzeugt das Zinkoxidmaterial aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften ein piezoelektrisches Potential, das sich abwechselnd aufbaut und dann freisetzt. Eine Schottky-Barriere steuert den alternierenden Elektronenfluss und das piezoelektrische Potenzial ist die treibende Kraft der Ladungspumpe.

"Die Elektronen fließen ein und aus, genau wie Wechselstrom", erklärte Wang. "Der alternierende Elektronenfluss ist der Leistungsabgabeprozess."

Der neue Generator, der aus piezoelektrischen Zinkoxiddrähten mit Durchmessern von drei bis fünf Mikrometern und Längen von 200 bis 300 Mikrometern besteht, hängt nicht mehr von Strukturen im Nanometerbereich ab. Die größere Größe wurde für eine einfachere Herstellung gewählt, aber Wang sagte, dass die Prinzipien auf die Nanometerskala herunterskaliert werden könnten.

"Nanoskalige Materialien sind dafür nicht erforderlich", sagte er. "Größere Fasern arbeiten besser und es ist einfacher mit ihnen zu arbeiten, um Geräte herzustellen. Aber das gleiche Prinzip würde im Nanometerbereich gelten. "

Flexible Ladungspumpe: Ernten mechanischer Energie durch Zinkoxiddrähte 1

Die Drähte werden unter Verwendung eines physikalischen Dampfabscheidungsverfahrens bei etwa 600 Grad Celsius gezüchtet. Unter Verwendung eines optischen Mikroskops werden die Drähte dann auf einen Polyimidfilm und eine Silberpaste, die an beiden Enden aufgetragen wird, gebunden, um als Elektroden zu dienen. Die Drähte und Elektroden wurden dann in Polyimid eingeschlossen, um sie vor Verschleiß und Umweltschäden zu schützen.

Um die erzeugte elektrische Energie zu messen, unterzogen die Forscher das Substrat und die angebrachten Zinkoxiddrähte einer periodischen mechanischen Biegung, die durch einen motorbetriebenen mechanischen Arm erzeugt wurde. Die durch Biegen induzierte Zugspannung erzeugte ein piezoelektrisches Potentialfeld entlang der seitlich verpackten Drähte. Dies wiederum führte dazu, dass ein Elektronenfluss in einen externen Stromkreis gelangte, wodurch der Wechsellade- und Entladungszyklus - und der entsprechende Stromfluss - erzeugt wurden.

Die Erhöhung der Dehnungsrate erhöhte die Größe der Ausgangsstromstärke, sowohl hinsichtlich der Spannung als auch des Stroms. Wang glaubt, dass die Frequenz des Stroms nur durch die mechanischen Eigenschaften des Polyimidsubstrats begrenzt ist.

Die Forscher führten eine Reihe von Tests durch, um zu überprüfen, dass der gemessene Strom vom Generator erzeugt wurde - und kein externes Messartefakt. Unter Verwendung derselben Versuchsanordnung streckten sie Kohlenstofffasern und Kevlar-Fasern, die mit polykristallinem Zinkoxid beschichtet waren, und beobachteten den Stromfluß nicht. Das Forscherteam entwickelte auch zwei Kriterien und acht Tests, um experimentelle Artefakte auszuschließen, bemerkte Wang.

Die Forscher erwarten, dass diese Art von Geräten in kleinen Generatoren verwendet wird, die drahtlose Sensorsysteme antreiben, die Informationen sammeln, speichern und übertragen können, ohne externe Stromquellen zu verwenden.

(Angepasst von GAtech Pressemitteilung über EurekAlert!)

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