Desarrollan nuevo dispositivo basado en grafeno que aprovecha la energía que hay en el ambiente

CLEMSON, Carolina del Sur – Esta situación nos ha sucedido a todos nosotros antes, ejemplo, arrastramos nuestros pies sobre la alfombra y alcanzamos para abrir la puerta y de repente hay una chispa visible.

¿Qué pasa si podríamos almacenar con esa energía reprimida?

Un equipo de físicos de la Universidad de Clemson en el Instituto de Nanomateriales Clemson (CNI) abordó esta idea cuando idearon el nanogenerador triboeléctrico ultra-simple, o U-TENG, este dispositivo está diseñado para tomar movimiento mecánico, como las olas en el océano, el golpe de un pie o el aplauso de una mano y transformarlo en electricidad, que luego puede encender luces o dispositivos electrónicos, como calculadoras, entre otras cosas.

El dispositivo adopta un nuevo enfoque en las TENG existentes, que se construyen a partir de materiales nuevos en el campo de la nanotecnología, como el grafeno, los nanotubos de carbono y un tipo de silicona conocida como polidimetilsiloxano, o PDMS. El uso de materiales novedosos parece inventivo; sin embargo, la novedad de estos materiales representa un desafío al avanzar la TENG desde la etapa de investigación y desarrollo hasta la producción en masa.

“El U-TENG está hecho de materiales que están disponibles comercialmente”, dijo el estudiante graduado Sai Sunil Mallineni, el primer autor en un artículo publicado recientemente sobre U-TENG en la revista Nano Energy . “Usamos el plástico del que se fabrican las botellas de agua potable (tereftalato de polietileno o PET) y cinta de alta temperatura (poliimida o Kapton) para ensamblar un U-TENG”.

“Tomas estos dos materiales, los haces conductores eléctricos al agregar una capa de óxido de indio y estaño de espesor nanométrico para que la corriente pueda fluir y poner un espaciador entre ellos. Entonces, los unes con cinta adhesiva. Eso es todo “, dijo Ramakrishna Podila , coautor del estudio y profesor asistente de física en Clemson. “Ese es el U-TENG”.

El plástico PET y la cinta Kapton son una de las combinaciones más eficientes de materiales en la serie triboeléctrica, que es una clasificación de materiales basada en su tendencia a emitir cargas positivas o negativas. Cuanto más alejados estén los dos materiales de la serie, mayor será su atracción estática al entrar en contacto.

El director de CNI, Apparao Rao, explicó que cuando la cinta y el plástico se presionan repetitivamente, la cinta tiene una tendencia natural a extraer los electrones del plástico.

Usar estos en la fabricación de los resultados U-TENG en un dispositivo que tiene todas las propiedades de una tecnología modelo. El U-TENG toma cinco minutos para armarse a un costo de solo 60 centavos. Contiene una potencia máxima de 500 voltios, suficiente energía para alimentar más de 300 diodos emisores de luz (LED). Puede soportar temperaturas de hasta 140 grados Fahrenheit. Y dado que los materiales están disponibles, el U-TENG es apto para la producción a gran escala.

“No es necesario volver a la mesa de dibujo ni reinventar la rueda para cosechar energía; solo tienes que encontrar una tecnología, como el U-TENG, y escalarla “, dijo Podila.

Una vez que se ensambla el U-TENG, se trata de suministrar movimientos repetitivos para poner en contacto los dos materiales, transformando la energía mecánica en electricidad. Cuando toca el pie, por ejemplo, el plástico entra en contacto con la cinta. Cuando levanta su pie, la fuerza se libera y los electrones en el plástico y la cinta se redistribuyen entre los dos materiales; sin embargo, los electrones no se distribuyen de manera uniforme. El plástico se vuelve más positivo de lo que inicialmente era y la cinta más negativa, generando así voltaje. Un circuito externo que está conectado a la U-TENG luego recoge la corriente eléctrica, que puede almacenarse en un condensador hasta que sea necesario.

“No hay batería en esta configuración”, dijo Rao. “El U-TENG proporciona la energía y su energía proviene de convertir el movimiento mecánico en electricidad”.

Siendo que no hay batería, el U-TENG nunca se quedará sin energía, desbloqueando lo que aparentemente son infinitas posibilidades para su uso.

“Puedes ponerlo bajo pasillos, y mientras la gente pasa caminando, puedes cosechar energía”, dijo Yongchang Dong, otro coautor de estudiantes de posgrado.

“También puedes monitorear el flujo de tráfico. Cada vez que un automóvil conduce un U-TENG, se genera un voltaje “, dijo Sriparna Bhattacharya, un investigador de la facultad que participa en el proyecto U-TENG en CNI.

“Incluso puedes integrar esto en una camiseta, de modo que mientras caminas, se frota contra tu piel, hay viento soplando contra ti y puedes usar esa energía para encender los LED”, dijo Podila.

“Puedes poner esto en tus zapatos y se iluminarán si estás corriendo en la oscuridad”, dijo Rao.

“O puede integrarse en las banderas que las personas ponen en sus autos para chupar rueda, de modo que por la noche, ¡solo se iluminan las banderas de Clemson!”, Dijo Podila.

Herbert Behlow, coautor del estudio, hizo hincapié en que el U-TENG puede resistir la prueba del tiempo.

“Los U-TENG no mostraron ninguna pérdida en el rendimiento de hasta 20,000 ciclos, y en muchos casos su voltaje máximo en realidad aumentó con el uso prolongado”, dijo Behlow.

La razón de esto es que U-TENG se vuelve más áspero con el uso, lo que aumenta su área de superficie de contacto. Cuanto mayor sea el área de superficie, mejor será el rendimiento del U-TENG.

El equipo de CNI continúa su investigación para crear una TENG inalámbrica que pueda afectar aún más áreas del paisaje energético mundial. También están solicitando una patente para proteger su invención antes de que comiencen a producir en masa la TENG inalámbrica.

“Con la forma en que avanza la ciencia, estamos obteniendo mucha tecnología, pero eso no necesariamente significa que se superpone con las soluciones que buscamos para el conjunto de problemas que tenemos en la sociedad”, explicó Podila. “Los problemas son los mismos, pero ahora tenemos más tecnología que no es directamente relevante. A la luz de eso, tomamos dos tecnologías, PET y Kapton, que ya son escalables, ya existentes y crearon un U-TENG para la recolección de energía “.

El documento del equipo de investigadores que detalla el advenimiento del U-TENG, se publicó en la revista Nano Energy en marzo de 2017. Los fondos de inicio para el estudio fueron proporcionados por Clemson University bajo el número de subvención X-1460320 y por el Watt Family Innovation Center de la Universidad (subvención número 2301812.)