Los investigadores han descubierto otra forma de recolectar pequeñas cantidades de electricidad del movimiento en el mundo que nos rodea, esta vez capturando la carga eléctrica producida cuando dos tipos diferentes de materiales plásticos se frotan entre sí. Basado en materiales poliméricos flexibles, este generador "triboeléctrico" podría proporcionar corriente alterna (CA) de actividades como caminar.

El generador triboeléctrico podría complementar la energía producida por nanogeneradores que utilizan el efecto piezoeléctrico para crear corriente a partir de la flexión de nanocables de óxido de zinc. Y debido a que estos generadores triboeléctricos se pueden hacer casi transparentes, podrían ofrecer una nueva forma de producir sensores activos que podrían reemplazar la tecnología que ahora se usa para las pantallas de dispositivos sensibles al tacto.

"El hecho de que se pueda producir una carga eléctrica mediante este principio es bien conocido, "dijo Zhong Lin Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Lo que hemos introducido es una técnica de separación de espacios que produce una caída de voltaje, que conduce a un flujo de corriente, permitiendo que se utilice la carga. Este generador puede convertir energía mecánica aleatoria de nuestro entorno en energía eléctrica ".

La investigación fue financiada por la National Science Foundation, el Departamento de Energía y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Los detalles se informaron en la edición de junio de la revista. Nano letras . Además de Wang, Los autores del artículo incluyeron a Feng-Ru Fan, Long Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu y Rui Zhang de Georgia Tech. Fan también está afiliado al Laboratorio Estatal de Química Física de Superficies Sólidas de la Universidad de Xiamen en China.

El generador triboeléctrico funciona cuando una hoja de poliéster se frota contra una hoja hecha de polidimetilisiloxano (PDMS). El poliéster tiende a donar electrones, mientras que el PDMS acepta electrones. Inmediatamente después de que las superficies del polímero se froten, están separados mecánicamente, creando un espacio de aire que aísla la carga en la superficie del PDMS y forma un momento dipolar.

Si luego se conecta una carga eléctrica entre las dos superficies, una pequeña corriente fluirá para igualar el potencial de carga. Frotando continuamente las superficies y luego separándolas rápidamente, el generador puede proporcionar una pequeña corriente alterna. Se utiliza una deformación externa para presionar las superficies juntas y deslizarlas para crear el movimiento de frotamiento.

"Para que esto funcione, tienes que usar dos tipos diferentes de materiales para crear los diferentes electrodos, "Wang explicó." Si frotas juntas superficies hechas del mismo material, no obtiene el diferencial de carga ".

La técnica también podría usarse para crear un sensor de presión activa autoamplificado muy sensible para uso potencial con sistemas electrónicos orgánicos u optoelectrónicos. La fuerza de una pluma o gota de agua que toca la superficie del generador triboeléctrico produce una pequeña corriente que puede detectarse para indicar el contacto. Los sensores pueden detectar presiones tan bajas como 13 milipascales.

Debido a que los dispositivos se pueden hacer aproximadamente un 75 por ciento transparentes, potencialmente podrían usarse en pantallas táctiles para reemplazar los sensores existentes. "Los generadores transparentes se pueden fabricar en prácticamente cualquier superficie, ", dijo Wang." Esta técnica podría usarse para crear sensores transparentes muy sensibles que no requerirían energía de la batería de un dispositivo ".

Si bien las superficies lisas que se frotan entre sí generan carga, Wang y su equipo de investigación han aumentado la producción actual mediante el uso de superficies con micro patrones. Estudiaron tres tipos diferentes de patrones de superficie:líneas, cubos y pirámides, y descubrió que colocar formas piramidales en una de las superficies de fricción generaba la mayor cantidad de corriente eléctrica:hasta 18 voltios a aproximadamente 0,13 microamperios por centímetro cuadrado.

Wang dijo que el patrón mejoró la capacidad de generación al aumentar la cantidad de carga formada, mejorar el cambio de capacitancia debido a los vacíos de aire creados entre los patrones, y facilitando la separación de cargas.

Para fabricar los generadores triboeléctricos, Los investigadores comenzaron creando un molde a partir de una oblea de silicio en el que se forman los patrones que mejoran la fricción utilizando fotolitografía tradicional y un proceso de grabado en seco o en húmedo. Los moldes en el que las características de los patrones se forman en el receso, luego se trataron con una sustancia química para evitar que el PDMS se pegara.

El elastómero PDMS líquido y el reticulante se mezclaron y revistieron por centrifugación sobre el molde, y después del curado térmico, pelado como una película delgada. La película de PDMS con patrón se fijó luego sobre una superficie de electrodo hecha de óxido de indio y estaño (ITO) recubierto con tereftalato de polietileno (PET) mediante una fina capa de unión de PDMS. The entire structure was then covered with another ITO-coated PET film to form a sandwich structure.

"The entire preparation process is simple and low cost, making it possible to be scaled up for large scale production and practical applications, "Dijo Wang.

The generators are robust, continuing to produce current even after days of use – and more than 100, 000 cycles of operation, Dijo Wang. The next step in the research will be to create systems that include storage mechanisms for the current generated.

"Friction is everywhere, so this principle could be used in a lot of applications, " Wang added. "We are combining our earlier nanogenerator and this new triboelectric generator for complementary purposes. The triboelectric generator won't replace the zinc oxide nanogenerator, but it has its own unique advantages that will allow us to use them in parallel."