Imagine que se pone una chaqueta, camisa o falda que alimenta su teléfono celular, rastreador de ejercicios y otros dispositivos electrónicos personales mientras camina, saluda e incluso cuando está sentado.
Un nuevo sistema de recolección de energía ultradelgado desarrollado en el Laboratorio de Nanomateriales y Dispositivos de Energía de la Universidad de Vanderbilt tiene el potencial de hacer precisamente eso. Basado en tecnología de batería y hecho de capas de fósforo negro que tienen solo unos pocos átomos de espesor, el nuevo dispositivo genera pequeñascantidades de electricidad cuando se dobla o presiona incluso a las frecuencias extremadamente bajas características del movimiento humano.
"En el futuro, espero que todos nos convirtamos en depósitos de carga para nuestros dispositivos personales al extraer energía directamente de nuestros movimientos y del medio ambiente", dijo el profesor asistente de ingeniería mecánica Cary Pint, quien dirigió la investigación.
El nuevo sistema de recolección de energía se describe en un artículo titulado "Cosechadora de energía de deformación mecánica electroquímica de frecuencia ultrabaja que utiliza nanohojas de fósforo negro 2D", publicado en línea el 21 de junio en la revista Letras de energía ACS .
"Esta es una investigación oportuna y emocionante dado el crecimiento de dispositivos portátiles como exoesqueletos y ropa inteligente, que podrían beneficiarse potencialmente de los avances del Dr. Pint en materiales y recolección de energía", observó Karl Zelik, profesor asistente de ingeniería mecánica y biomédica enVanderbilt, un experto en biomecánica de la locomoción que no participó en el desarrollo del dispositivo.
En la actualidad, hay una enorme cantidad de investigación destinada a descubrir formas efectivas de aprovechar las fuentes de energía ambiental. Estos incluyen dispositivos mecánicos diseñados para extraer energía de vibraciones y deformaciones; dispositivos térmicos destinados a extraer energía de las variaciones de temperatura; dispositivos de energía radiante que capturanenergía de la luz, ondas de radio y otras formas de radiación; y dispositivos electroquímicos que aprovechan las reacciones bioquímicas.
"Comparado con los otros enfoques diseñados para recolectar energía del movimiento humano, nuestro método tiene dos ventajas fundamentales", dijo Pint. "Los materiales son atómicamente delgados y lo suficientemente pequeños como para impregnarse en textiles sin afectar el aspecto o el tacto de la tela ypuede extraer energía de movimientos que son más lentos que 10 Hertz 10 ciclos por segundo en toda la ventana de movimientos de baja frecuencia correspondiente al movimiento humano ".
Los estudiantes de doctorado Nitin Muralidharan y Mengya Li codirigieron el esfuerzo para hacer y probar los dispositivos. "Cuando miras a Usain Bolt, ves al hombre más rápido de la Tierra. Cuando lo miro, veo una máquina que funciona a las 5Hertz ", dijo Muralidharan.
La extracción de energía utilizable de un movimiento de baja frecuencia ha demostrado ser un gran desafío. Por ejemplo, varios grupos de investigación están desarrollando recolectores de energía basados en materiales piezoeléctricos que convierten la tensión mecánica en electricidad. Sin embargo, estos materiales a menudo funcionan mejor a frecuencias demás de 100 Hertz. Esto significa que no funcionan durante más de una pequeña fracción de cualquier movimiento humano, por lo que logran eficiencias limitadas de menos del 5-10 por ciento, incluso en condiciones óptimas.
"Nuestra cosechadora está calculada para operar con una eficiencia superior al 25 por ciento en una configuración de dispositivo ideal y, lo que es más importante, recolectar energía durante toda la duración de los movimientos humanos incluso lentos, como sentarse o pararse", dijo Pint.
El recolector de energía ultradelgado del laboratorio de Vanderbilt se basa en la investigación del grupo sobre sistemas de baterías avanzados. Durante los últimos 3 años, el equipo ha explorado la respuesta fundamental de los materiales de las baterías a la flexión y el estiramiento. Fueron los primeros en demostrar experimentalmente que el funcionamientoel voltaje cambia cuando los materiales de la batería se someten a tensión. Bajo tensión, el voltaje aumenta y bajo compresión, cae.
El equipo colaboró con Greg Walker, profesor asociado de ingeniería mecánica, quien utilizó modelos informáticos para validar estas observaciones para materiales de baterías de litio. Los resultados del estudio se publicaron el 27 de junio en la revista ACS Nano en un artículo titulado "La Mecanoquímica deElectrodos de batería de litio. "
Estas observaciones llevaron al equipo de Pint a reconstruir la batería con electrodos positivos y negativos hechos del mismo material. Aunque esto evita que el dispositivo almacene energía, le permite aprovechar al máximo los cambios de voltaje causados por la flexión y la torsión y, por lo tanto, producir una cantidad significativa de energía.cantidades de corriente eléctrica en respuesta a los movimientos humanos.
Los estudios iniciales del laboratorio se publicaron en 2016. Se inspiraron aún más en un avance paralelo de un grupo del Instituto de Tecnología de Massachusetts que produjo un dispositivo del tamaño de un sello postal a partir de silicio y litio que recolectaba energía a través del efecto Pint y suequipo estaba investigando.
En respuesta, los investigadores de Vanderbilt decidieron adelgazar lo más posible mediante el uso de nanohojas de fósforo negro: un material se ha convertido en el último favorito de la comunidad de investigación de materiales 2D debido a sus atractivas propiedades eléctricas, ópticas y electroquímicas.
Debido a que los componentes básicos de la cosechadora tienen aproximadamente 1/5000 del grosor de un cabello humano, los ingenieros pueden hacer que sus dispositivos sean tan delgados o tan gruesos como sea necesario para aplicaciones específicas. Han descubierto que doblar sus dispositivos prototipo produce tantocomo 40 microvatios por pie cuadrado y puede sostener la generación actual durante toda la duración de movimientos tan lentos como 0.01 Hertz, un ciclo cada 100 segundos.
Los investigadores reconocen que uno de los desafíos que enfrentan es el voltaje relativamente bajo que produce su dispositivo. Está en el rango de milivoltios. Sin embargo, están aplicando sus conocimientos fundamentales del proceso para aumentar el voltaje. También están explorando ladiseño de componentes eléctricos, como pantallas LCD, que operan a voltajes más bajos de lo normal.
"Uno de los revisores de nuestro artículo planteó la cuestión de la seguridad", dijo Pint. "Eso no es un problema aquí. Las baterías generalmente se incendian cuando los electrodos positivo y negativo están en cortocircuito, lo que enciende el electrolito. Porquenuestra cosechadora tiene dos electrodos idénticos, cortocircuitarlo no hará más que inhibir el dispositivo de recolectar energía. Es cierto que nuestro prototipo se incendiará si lo pone bajo un soplete, pero podemos eliminar incluso esta preocupación usando un sólido-estado electrolito. "
Una de las aplicaciones más futuristas de esta tecnología podría ser la ropa electrificada. Podría alimentar la ropa impregnada con pantallas de cristal líquido que permiten a los usuarios cambiar colores y patrones con solo deslizar el dedo en su teléfono inteligente. "Ya estamos midiendo el rendimiento dentro del estadio de béisbol parael requisito de energía para una pantalla LCD de tamaño mediano y baja potencia al escalar el rendimiento al grosor y áreas de la ropa que usamos ", dijo Pint.
Pint también cree que existen aplicaciones potenciales para su dispositivo más allá de los sistemas de energía. "Cuando se incorpora a la ropa, nuestro dispositivo puede traducir el movimiento humano en una señal eléctrica con alta sensibilidad que podría proporcionar un registro histórico de nuestros movimientos. O ropa que rastrea nuestroLos movimientos en tres dimensiones podrían integrarse con la tecnología de realidad virtual. Hay muchas direcciones en las que esto podría ir ".
Los estudiantes de doctorado de Vanderbilt Rachel Carter, actualmente investigadora postdoctoral en el Laboratorio de Investigación Naval, y Nicholas Galioto, un estudiante de ingeniería mecánica de pregrado también contribuyeron a la investigación, que fue apoyada por la subvención CMMI 1400424 de la Fundación Nacional de Ciencias y el programa de subvenciones de descubrimiento de la Universidad de Vanderbilt.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Original escrito por David Salisbury. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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