Al combinar una nueva generación de nanogeneradores piezoeléctricos con dos tipos de sensores de nanocables, Los investigadores han creado lo que se cree que son los primeros dispositivos de detección autoamplificados a escala nanométrica que obtienen energía de la conversión de energía mecánica. Los nuevos dispositivos pueden medir el pH de líquidos o detectar la presencia de luz ultravioleta utilizando corriente eléctrica producida a partir de energía mecánica en el medio ambiente.

Basado en matrices que contienen hasta 20, 000 nanocables de óxido de zinc en cada nanogenerador, los dispositivos pueden producir hasta 1,2 voltios de voltaje de salida, y se fabrican con un proceso químico diseñado para facilitar la fabricación de bajo costo en sustratos flexibles. Las pruebas realizadas con casi mil nanogeneradores, que no tienen partes mecánicas móviles, demostraron que pueden funcionar a lo largo del tiempo sin pérdida de capacidad de generación.

Los detalles del nanogenerador mejorado y los nanosensores autoamplificados debían publicarse el 28 de marzo en la revista. Nanotecnología de la naturaleza . La investigación fue apoyada por la National Science Foundation, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, y el Departamento de Energía de EE. UU.

"Hemos demostrado una forma sólida de recolectar energía y usarla para alimentar sensores a escala nanométrica, "dijo Zhong Lin Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Ahora tenemos una hoja de ruta tecnológica para escalar estos nanogeneradores y hacer aplicaciones realmente prácticas".

Durante los últimos cinco años, El equipo de investigación de Wang ha estado desarrollando generadores a nanoescala que utilizan el efecto piezoeléctrico, que produce cargas eléctricas cuando los cables hechos de óxido de zinc se someten a tensión. La tensión se puede producir simplemente flexionando los cables, y la corriente de muchos cables se puede combinar de manera constructiva para alimentar dispositivos pequeños. El esfuerzo de investigación se ha centrado recientemente en aumentar la cantidad de corriente y voltaje generados y en hacer que los dispositivos sean más robustos.

En el papel, Wang y sus colaboradores informan sobre una nueva configuración para los nanocables que incrusta ambos extremos de las diminutas estructuras en un sustrato de polímero. Los cables pueden generar corriente a medida que se comprimen en una carcasa de nanogenerador flexible, eliminando el contacto con un electrodo metálico que se requería en dispositivos anteriores. Debido a que los generadores están completamente cerrados, se pueden utilizar en una variedad de entornos.

"Ahora podemos hacer crecer los alambres químicamente en sustratos que son plegables y flexibles y el procesamiento ahora se puede realizar a temperaturas del sustrato de menos de 100 grados Celsius, aproximadamente la temperatura del café, ", explicó Wang." Eso permitirá un menor costo de fabricación y crecimiento en casi cualquier sustrato ".

Los nanogeneradores se producen mediante un proceso de varios pasos que incluye la fabricación de electrodos que proporcionan contactos óhmicos y Shottky para los nanocables. Las matrices se pueden cultivar tanto vertical como lateralmente. Para maximizar la corriente y el voltaje, el crecimiento y el ensamblaje requieren la alineación del crecimiento cristalino, así como la sincronización de los ciclos de carga y descarga.

La producción de nanogeneradores verticales comienza con el cultivo de nanocables de óxido de zinc en una superficie recubierta de oro utilizando un método químico húmedo. Luego se hila una capa de polimetilmetacrilato sobre los nanocables, cubriéndolos de arriba a abajo. Luego se realiza el grabado con plasma de oxígeno, dejando limpias las puntas sobre las que se coloca un trozo de oblea de silicio recubierto de platino. El silicio recubierto proporciona una barrera Shottky, que es esencial para mantener el flujo de corriente eléctrica.

La salida de corriente alterna de los nanogeneradores depende de la cantidad de tensión aplicada. "A una velocidad de deformación inferior al dos por ciento por segundo, podemos producir un voltaje de salida de 1,2 voltios, ", dijo Wang." La potencia de salida se corresponde con la carga externa ".

Los nanogeneradores laterales que integran 700 filas de nanocables de óxido de zinc produjeron un voltaje máximo de 1,26 voltios con una deformación del 0,19 por ciento. En un nanogenerador separado, La integración vertical de tres capas de matrices de nanocables de óxido de zinc produjo una densidad de potencia máxima de 2,7 milivatios por centímetro cúbico.

El equipo de Wang ha producido hasta ahora dos pequeños sensores que se basan en nanocables de óxido de zinc y funcionan con nanogeneradores. Al medir la amplitud de los cambios de voltaje en el dispositivo cuando se expone a diferentes líquidos, el sensor de pH puede medir la acidez de líquidos. Un nanosensor ultravioleta depende de cambios de voltaje similares para detectar cuándo es golpeado por luz ultravioleta.

Además de Wang, el equipo que redactó el artículo incluyó a Sheng Xu, Yong Qin, Chen Xu, Yaguang Wei, y Rusen Wang, todos de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech.

El nuevo generador y los sensores a nanoescala abren nuevas posibilidades para dispositivos de detección muy pequeños que pueden funcionar sin baterías. alimentado por energía mecánica extraída del medio ambiente. Las fuentes de energía podrían incluir el movimiento de las mareas, ondas sónicas, vibración mecánica, el aleteo de una bandera al viento, la presión de los zapatos de un excursionista o el movimiento de la ropa.

"Crear dispositivos pequeños no es suficiente, "Wang señaló." También debemos ser capaces de alimentarlos de una manera sostenible que les permita ser móviles. Usando nuestro nuevo nanogenerador, podemos colocar estos dispositivos en el entorno donde puedan funcionar de forma independiente y sostenible sin necesidad de una batería ".