Los números que parpadean en una pantalla de cristal líquido (LCD) a menudo indican que el reloj de un dispositivo debe reiniciarse. Pero en el laboratorio de Zhong Lin Wang en Georgia Tech, el número que parpadea en una pequeña pantalla LCD indica el éxito de un esfuerzo de cinco años para alimentar dispositivos electrónicos convencionales con generadores a nanoescala que recolectan energía mecánica del medio ambiente utilizando una serie de diminutos nanocables.

En este caso, la energía mecánica proviene de comprimir un nanogenerador entre dos dedos, pero también podría provenir de un latido del corazón, el golpeteo de un zapato de excursionista en un sendero, el susurro de una camisa, o la vibración de una máquina pesada. Si bien estos nanogeneradores nunca producirán grandes cantidades de electricidad para fines convencionales, podrían utilizarse para alimentar dispositivos a nanoescala y microescala, e incluso para recargar marcapasos o iPods.

Los nanogeneradores de Wang se basan en el efecto piezoeléctrico que se observa en materiales cristalinos como el óxido de zinc, en el que se crea un potencial de carga eléctrica cuando las estructuras hechas del material se flexionan o se comprimen. Al capturar y combinar las cargas de millones de estos alambres de óxido de zinc a nanoescala, Wang y su equipo de investigación pueden producir hasta tres voltios y hasta 300 nanoamperios.

"Al simplificar nuestro diseño, haciéndolo más robusto e integrando las contribuciones de muchos más nanocables, Hemos aumentado con éxito la salida de nuestro nanogenerador lo suficiente como para impulsar dispositivos como pantallas comerciales de cristal líquido, diodos emisores de luz y diodos láser, "dijo Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Si podemos mantener este ritmo de mejora, alcanzaremos algunas aplicaciones reales en dispositivos sanitarios, electrónica personal, o monitoreo ambiental ".

Mejoras recientes en los nanogeneradores, incluyendo una técnica de fabricación más simple, se informaron en línea la semana pasada en la revista Nano letras . Artículos anteriores en la misma revista y en Nature Communications informaron otros avances para el trabajo, que ha sido apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), el Departamento de Energía de EE. UU., la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, y la Fundación Nacional de Ciencias.

"Estamos interesados ​​en dispositivos muy pequeños que se pueden utilizar en aplicaciones como la atención médica, monitoreo ambiental y electrónica personal, ", dijo Wang." Cómo alimentar estos dispositivos es un tema crítico ".

Los primeros nanogeneradores de óxido de zinc usaban matrices de nanocables cultivados en un sustrato rígido y cubiertos con un electrodo metálico. Las versiones posteriores integraron ambos extremos de los nanocables en polímero y produjeron energía mediante una simple flexión. Independientemente de la configuración, los dispositivos requirieron un crecimiento cuidadoso de las matrices de nanocables y un montaje minucioso.

En el último documento, Wang y los miembros de su grupo, Youfan Hu, Yan Zhang, Chen Xu, Guang Zhu y Zetang Li informaron sobre técnicas de fabricación mucho más simples. Primero, cultivaron matrices de un nuevo tipo de nanoalambre que tiene una forma cónica. Estos alambres se cortaron de su sustrato de crecimiento y se colocaron en una solución de alcohol.

La solución que contenía los nanocables se goteó luego sobre un electrodo de metal delgado y una hoja de película de polímero flexible. Después de dejar secar el alcohol, se creó otra capa. Se construyeron múltiples capas de nanocables / polímero en una especie de compuesto, utilizando un proceso que Wang cree que podría ampliarse a la producción industrial.

Cuando se flexiona, Estos sándwiches de nanocables, que miden aproximadamente dos centímetros por 1.5 centímetros, generaron suficiente energía para impulsar una pantalla comercial tomada de una calculadora de bolsillo.

Wang dice que los nanogeneradores están ahora cerca de producir suficiente corriente para un sistema autoalimentado que podría monitorear el ambiente en busca de un gas tóxico. por ejemplo, luego transmita una advertencia. El sistema incluiría condensadores capaces de almacenar las pequeñas cargas hasta que haya suficiente energía disponible para enviar una ráfaga de datos.

Si bien incluso la salida actual del nanogenerador permanece por debajo del nivel requerido para dispositivos como iPods o marcapasos cardíacos, Wang cree que esos niveles se alcanzarán dentro de tres a cinco años. El nanogenerador actual, él nota, es casi 100 veces más poderoso que lo que su grupo había desarrollado hace apenas un año.

Escribiendo en un artículo separado publicado en octubre en la revista Nature Communications, miembros del grupo Sheng Xu, Benjamin J. Hansen y Wang informaron sobre una nueva técnica para fabricar nanocables piezoeléctricos a partir de titanato de circonato de plomo, también conocido como PZT. El material ya se utiliza industrialmente, pero es difícil de cultivar porque requiere temperaturas de 650 grados centígrados.

En el papel, El equipo de Wang informó sobre el primer crecimiento químico epitaxial de matrices de nanocables de cristal único alineadas verticalmente de PZT en una variedad de sustratos conductores y no conductores. Utilizaron un proceso conocido como descomposición hidrotermal, que tuvo lugar a solo 230 grados centígrados.

Con un circuito rectificador para convertir corriente alterna en corriente continua, los investigadores utilizaron los nanogeneradores PZT para alimentar un diodo láser comercial, demostrando un sistema de materiales alternativos para la familia de nanogeneradores de Wang. "Esto nos permite la flexibilidad de elegir el mejor material y proceso para la necesidad dada, aunque el rendimiento del PZT no es tan bueno como el del óxido de zinc para la generación de energía, " él explicó.

Y en otro artículo publicado en Nano letras , Wang y los miembros del grupo Guang Zhu, Rusen Yang y Sihong Wang informaron sobre otro avance que impulsa la producción de nanogeneradores. Su enfoque denominada "impresión de barrido escalable, "incluye un proceso de dos pasos de (1) transferir nanocables de óxido de zinc alineados verticalmente a un sustrato receptor de polímero para formar matrices horizontales y (2) aplicar electrodos de tiras paralelas para conectar todos los nanocables juntos.

Usando una sola capa de esta estructura, los investigadores produjeron un voltaje de circuito abierto de 2,03 voltios y una densidad de potencia de salida máxima de aproximadamente 11 milivatios por centímetro cúbico.

"Desde que comenzamos en 2005 hasta hoy, hemos mejorado drásticamente el rendimiento de nuestros nanogeneradores, ", Señaló Wang." Estamos dentro del rango de lo que se necesita. Si podemos impulsar estos pequeños componentes, Creo que podremos alimentar sistemas pequeños en un futuro próximo. En los próximos cinco años, Espero ver este paso a la aplicación ".