ژنراتورهای انعطاف پذیر حرکت را به انرژی تبدیل می‌کنند

یک تصویر میکروسکوپ الکترونی، مقطعی از یک ترکیب تحریک شده با لیزر از گرافن و پلیماید خلق شده در دانشگاه رایس برای استفاده به عنوان یک نانوژنراتور برق مالشی را نشان می دهد. این دستگاه ها می توانند جنبش را به انرژی تبدیل کنند که سپس می تواند برای استفاده بعدی ذخیره شود. اعتبار: گروه تور / دانشگاه رایس
 
دستگاه های پوشیدنی که انرژی را از جنبش برداشت می کنند ایده جدیدی نیستند، اما یک ماده ایجاد شده در دانشگاه رایس ممکن است آنها را عملی‌تر نماید.
 
آزمایشگاه رایسِ شیمیدان جیمز تور، گرافن تحریک شده با لیزر (LIG) را به دستگاه های کوچک و بدون فلزی که برق تولید می کنند، سازوار کرده است. مانند مالیدن بادکنک به مو، در تماس قرار دادن ترکیب‌های LIG با سطوح دیگر، باعث ایجاد الکتریسیته ساکن می شود که می توان برای قدرت بخشی به دستگاه‌ها از آن استفاده کرد.
 
برای این کار، مرهون اثر برق مالشی، که بر اساس آن مواد از طریق تماس با هم بار جمع می کنند، هستیم. هنگامی که آنها روی هم گذاشته می شوند و سپس به سمت جدا شدن از هم کشیده می شوند، بارهای سطحی افزایش می یابند که می توانند به سمت تولید قدرت کانالیزه شوند.
 
در آزمایشات، محققان یک نوار تا خورده از LIG را به یک رشته از دیودهای نوری وصل کردند و دریافتند که ضربت آهسته زدن به نوار باعث تولید انرژی‌ای کافی برای ایجاد فلاش در آنها شد. یک قطعه بزرگتر LIG که در یک دمپایی تعبیه شده است، اجازه می دهد فرد پوشنده انرژی‌ای را با هر قدم تولید کند، چون که تماس مکررِ ترکیب گرافن با پوست جریانی را برای شارژ کردن یک خازن کوچک تولید می کند.
 
تور گفت: "این می تواند راهی برای شارژ مجدد دستگاه های کوچک، تنها با استفاده از انرژی اضافی ضربات پاشنه در حین پیاده روی و یا حرکات آونگی بازو در برابر تنه، باشد."
 

محقق پسا دکترای دانشگاه رایس، مایکل استنفورد، یک دمپاییِ حاوی یک نانوژنراتور برق مالشی، ساخته شده بر پایه گرافن تحریک شده با لیزر، که به پاشنه آن وصل شده است، را در دست گرفته است. پیاده روی با دمپایی باعث ایجاد برق بر اثر تماس مکرر بین ژنراتور و پوست پوشنده می شود. استنفورد دستگاه را برای ذخیره انرژی بر روی یک خازن سیم کشی کرد. اعتبار: جف فیتلو / دانشگاه رایس
 
این پروژه در مجله انجمن شیمی امریکا، ACS Nano، به تفصیل انتشار یافته است.
 
LIG یک فوم گرافن است که وقتی مواد شیمیایی روی سطح یک پلیمر یا ماده ای دیگر با لیزر گرم می شوند تولید می شود، و تنها پوسته های به هم پیوسته ای از کربن دو بعدی را از خود باقی می گذارد. این آزمایشگاه ابتدا LIG را بر روی پلیماید معمولی ساخت، اما این روش را به گیاهان، غذا، و کاغذ و چوب معمولی توسعه داد.
 
این آزمایشگاه، پلیماید، چوب پنبه و سایر مواد را به الکترودهای LIG تبدیل کرد تا ببیند که چقدر انرژی تولید می کنند و چقدر در برابر سایش و پارگی مقاومند. آنها بهترین نتایج را از مواد موجود در انتهاهای متقابل سری برق مالشی به دست آوردند، که از نظر کمی توانایی آنها را برای تولید بار استاتیک توسط برق رسانی تماسی مشخص می کند.
 
در پیکربندی تاشو، LIG ساخته شده از پولیماید منفی-مالشی با یک پوشش حفاظتی از پلی اورتان، که همچنین به عنوان یک ماده مثبت-مالشی عمل می کرد، اسپری شد. هنگامی که الکترودها به هم تماس داده شدند، الکترون ها از پلی اورتان به پلیماید منتقل شدند. این می تواند راهی برای شارژ مجدد دستگاه های کوچک، تنها با استفاده از انرژی اضافی ضربات پاشنه در حین پیاده روی و یا حرکات آونگی بازو در برابر تنه، باشد. تماس و جدا سازی بعدی باعث جریانی از بارها شد که از طریق یک مدار خارجی توانستند ذخیره شوند تا افزایش بارهای استاتیک را مجددا موازنه کنند. LIG تاشو، تولیدی در حدود 1 کیلوولت داشت، و بعد از 5 هزار سیکلِ خمشی همچنان پایدار باقی ماند.
 
بهترین پیکربندی با الکترود های کامپوزیت -LIGپولیماید و آلومینیوم، ولتاژهایی بالاتر از 3.5 کیلوولت را با توان حداکثری بیش از 8 میلی وات تولید کرد.
 
محقق پسا دکترای رایس، مایکل استنفورد، نویسنده راهبر این مقاله، گفت: "نانو ژنراتورِ نشانده شده درون دمپایی قادر به ذخیره 0.22 میلی ژول انرژی الکتریکی در یک خازن پس از یک کیلومتر راهپیمایی بود." "این نرخ از ذخیره انرژی، کافی است که قدرت سنسورها و الکترونیک پوشیدنی را با حرکت انسان تأمین کند."
 
 

 

دانشمندان دانشگاه رایس، گرافن تحریک شده با لیزر را با تنوعی از مواد ترکیب کرده اند تا کامپوزیت های ستبری برای انواع کاربردها ایجاد کنند. اعتبار: گروه تور / دانشگاه رایس
 
گرافن تحریک شده با لیزر (LIG)، یک فوم پوسته ای از کربن به ضخامت اتمی، به خودی خود دارای خواص جالب بسیاری است اما به عنوان قسمتی از یک کامپوزیت توان های جدیدی را به دست می آورد.
 
آزمایشگاه های دانشگاه رایس شیمیدان جیمز تور و کریستوفر آرنوش، استاد دانشگاه بن گوریون Negev در فلسطین اشغالی، مجموعه ای از کامپوزیت های LIG را در مجله انجمن شیمی امریکا، ACS Nano، معرفی کردند که توانایی های مواد را در داخل بسته هایی ستبرتر قرار می دهد.
 
با تزریق LIG با پلاستیک، لاستیک، سیمان، موم یا سایر مواد، آزمایشگاه ها کامپوزیت هایی را با طیف گسترده ای از کاربردهای ممکن ساخته‌اند. این کامپوزیت های جدید می توانند در الکترونیک پوشیدنی، در گرما درمانی، در درمان با آب، در کارهای ضد انجماد و یخ زدایی، در ایجاد سطوح ضد میکروبی، و حتی در ساخت دستگاه های حافظه مقاومتی دارای دسترسی اتفاقی مورد استفاده واقع شوند.
 
برای اولین بار آزمایشگاه تور در سال 2014 LIG را ساخت، زمانی که از یک لیزر تجاری برای سوزاندن سطح یک ورق نازک پلاستیکی معمولی، پلیماید، استفاده کرد. گرمای لیزر تکه باریکی از ماده را به پوسته های گرافن به هم متصل تبدیل کرد. فرایند یک مرحله ای، در مقایسه با نشست بخار شیمیایی سنتی، بیشترین مقدار ماده را ساخت و با هزینه ای به مراتب کمتر.
 
از آن به بعد، آزمایشگاه رایس و دیگران تحقیقات خود را درباره LIG گسترش داده اند، حتی با حذف پلاستیک و ساختن آن با چوب و غذا. در سال گذشته، محققانِ رایس فوم گرافنی را برای تندیس گری اشیاء سه بعدی ایجاد کردند.
 
منبع: مایک ویلیامز، دانشگاه رایس