p Ao combinar uma nova geração de nanogeradores piezoelétricos com dois tipos de sensores de nanofios, pesquisadores criaram o que se acredita serem os primeiros dispositivos de detecção autoalimentados em escala nanométrica que extraem energia da conversão de energia mecânica. Os novos aparelhos podem medir o pH de líquidos ou detectar a presença de luz ultravioleta por meio da corrente elétrica produzida a partir da energia mecânica do ambiente. p Com base em matrizes contendo até 20, 000 nanofios de óxido de zinco em cada nanogerador, os dispositivos podem produzir até 1,2 volts de tensão de saída, e são fabricados com um processo químico projetado para facilitar a fabricação de baixo custo em substratos flexíveis. Testes feitos com cerca de mil nanogeradores - que não possuem partes móveis mecânicas - mostraram que eles podem ser operados ao longo do tempo sem perda de capacidade de geração.

p Detalhes do nanogerador aprimorado e dos nanosensores com alimentação própria foram programados para serem relatados em 28 de março no jornal Nature Nanotechnology . A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, e o Departamento de Energia dos EUA.

p "Demonstramos uma maneira robusta de coletar energia e usá-la para alimentar sensores em escala nanométrica, "disse Zhong Lin Wang, um professor regente da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Agora temos um roteiro de tecnologia para dimensionar esses nanogeradores para fazer aplicações verdadeiramente práticas."

p Nos últimos cinco anos, A equipe de pesquisa de Wang vem desenvolvendo geradores em nanoescala que usam o efeito piezoelétrico - que produz cargas elétricas quando fios feitos de óxido de zinco são submetidos à deformação. A tensão pode ser produzida simplesmente flexionando os fios, e a corrente de muitos fios pode ser combinada de forma construtiva para alimentar pequenos dispositivos. O esforço de pesquisa recentemente se concentrou em aumentar a quantidade de corrente e tensão gerada e em tornar os dispositivos mais robustos.

p No papel, Wang e colaboradores relatam uma nova configuração para os nanofios que incorpora ambas as extremidades das minúsculas estruturas em um substrato de polímero. Os fios podem, então, gerar corrente à medida que são comprimidos em um invólucro de nanogerador flexível, eliminando o contato com um eletrodo metálico que era exigido nos dispositivos anteriores. Como os geradores são completamente fechados, eles podem ser usados ​​em uma variedade de ambientes.

p “Agora podemos cultivar os fios quimicamente em substratos que são dobráveis ​​e flexíveis e o processamento agora pode ser feito em temperaturas de substrato de menos de 100 graus Celsius - aproximadamente a temperatura do café, "explicou Wang." Isso permitirá um custo de fabricação mais baixo e crescimento em praticamente qualquer substrato. "

p Os nanogeradores são produzidos usando um processo de várias etapas que inclui a fabricação de eletrodos que fornecem contatos Ohmic e Shottky para os nanofios. As matrizes podem ser cultivadas vertical e lateralmente. Para maximizar a corrente e a tensão, o crescimento e montagem requerem alinhamento de crescimento cristalino, bem como a sincronização dos ciclos de carga e descarga.

p A produção de nanogeradores verticais começa com o crescimento de nanofios de óxido de zinco em uma superfície revestida de ouro usando um método químico úmido. Uma camada de polimetil-metacrilato é então revestida por fiação nos nanofios, cobrindo-os de cima para baixo. O condicionamento com plasma de oxigênio é então realizado, deixando pontas limpas nas quais um pedaço de wafer de silício revestido com platina é colocado. O silicone revestido fornece uma barreira Shottky, que é essencial para manter o fluxo de corrente elétrica.

p A saída de corrente alternada dos nanogeradores depende da quantidade de deformação aplicada. "A uma taxa de deformação de menos de dois por cento por segundo, podemos produzir tensão de saída de 1,2 volts, "disse Wang." A saída de energia é compatível com a carga externa. "

p Nanogeradores laterais integrando 700 linhas de nanofios de óxido de zinco produziram uma voltagem de pico de 1,26 volts a uma tensão de 0,19 por cento. Em um nanogerador separado, a integração vertical de três camadas de matrizes de nanofios de óxido de zinco produziu uma densidade de potência de pico de 2,7 miliwatts por centímetro cúbico.

p A equipe de Wang produziu até agora dois sensores minúsculos baseados em nanofios de óxido de zinco e alimentados por nanogeradores. Ao medir a amplitude das mudanças de voltagem em todo o dispositivo quando exposto a diferentes líquidos, o sensor de pH pode medir a acidez de líquidos. Um nanossensor ultravioleta depende de mudanças de voltagem semelhantes para detectar quando é atingido por luz ultravioleta.

p Além de Wang, a equipe que escreveu o artigo incluiu Sheng Xu, Yong Qin, Chen Xu, Yaguang Wei, e Rusen Wang, todos da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech.

p O novo gerador e os sensores em nanoescala abrem novas possibilidades para dispositivos de detecção muito pequenos que podem operar sem baterias, alimentado por energia mecânica colhida do meio ambiente. As fontes de energia podem incluir o movimento das marés, ondas sônicas, vibração mecânica, o bater de uma bandeira ao vento, pressão dos sapatos de um caminhante ou o movimento das roupas.

p "Construir dispositivos pequenos não é suficiente, "Wang observou." Nós também devemos ser capazes de alimentá-los de uma forma sustentável que permita que eles sejam móveis. Usando nosso novo nanogerador, podemos colocar esses dispositivos em um ambiente onde possam funcionar de forma independente e sustentável sem a necessidade de bateria. "