Imagine ser capaz de gerar eletricidade aproveitando a umidade do ar ao seu redor apenas com itens do dia a dia, como sal marinho e um pedaço de tecido, ou até mesmo alimentando eletrônicos do dia a dia com uma bateria não tóxica que é tão fina quanto papel. Uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Design e Engenharia (CDE) da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) desenvolveu um novo dispositivo de geração de eletricidade acionado por umidade (MEG) feito de uma fina camada de tecido - cerca de 0,3 milímetros (mm) de espessura — sal marinho, tinta de carbono e um gel especial absorvente de água.
O conceito de dispositivos MEG é construído sobre a capacidade de diferentes materiais de gerar eletricidade a partir da interação com a umidade do ar. Essa área tem recebido crescente interesse devido ao seu potencial para uma ampla gama de aplicações do mundo real, incluindo dispositivos autoalimentados, como eletrônicos vestíveis, como monitores de saúde, sensores eletrônicos de pele e dispositivos de armazenamento de informações.

Os principais desafios das tecnologias MEG atuais incluem a saturação de água do dispositivo quando exposto à umidade ambiente e desempenho elétrico insatisfatório. Assim, a eletricidade gerada por dispositivos MEG convencionais é insuficiente para alimentar dispositivos elétricos e também não é sustentável.

Para superar esses desafios, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor assistente Tan Swee Ching, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do CDE, desenvolveu um novo dispositivo MEG contendo duas regiões de propriedades diferentes para manter perpetuamente uma diferença no teor de água entre as regiões para gerar eletricidade. e permitir a saída elétrica por centenas de horas.

Este avanço tecnológico foi publicado na versão impressa da revista científica Advanced Materials em 26 de maio de 2022.

Bateria de tecido de longa duração e autocarregável

O dispositivo MEG da equipe do NUS consiste em uma fina camada de tecido que foi revestida com nanopartículas de carbono. Em seu estudo, a equipe usou um tecido comercialmente disponível feito de polpa de madeira e poliéster.

Uma região do tecido é revestida com um hidrogel iônico higroscópico, e essa região é conhecida como região úmida. Feito com sal marinho, o gel especial de absorção de água pode absorver mais de seis vezes seu peso original e é usado para coletar a umidade do ar.

“O sal marinho foi escolhido como o composto de absorção de água devido às suas propriedades não tóxicas e seu potencial para fornecer uma opção sustentável para as usinas de dessalinização descartarem o sal marinho e a salmoura gerados”, compartilhou o Asst Prof Tan.

A outra extremidade do tecido é a região seca que não contém uma camada higroscópica de hidrogel iônico. Isso é para garantir que essa região seja mantida seca e a água fique confinada à região úmida.

Uma vez que o dispositivo MEG é montado, a eletricidade é gerada quando os íons do sal marinho são separados à medida que a água é absorvida na região úmida. Íons livres com carga positiva (cátions) são absorvidos pelas nanopartículas de carbono que são carregadas negativamente. Isso causa mudanças na superfície do tecido, gerando um campo elétrico através dele. Essas mudanças na superfície também dão ao tecido a capacidade de armazenar eletricidade para uso posterior.

Usando um design exclusivo de regiões úmidas e secas, os pesquisadores da NUS conseguiram manter alto teor de água na região úmida e baixo teor de água na região seca. Isso sustentará a saída elétrica mesmo quando a região úmida estiver saturada com água. Após 30 dias em ambiente aberto e úmido, a água ainda foi mantida na região úmida demonstrando a eficácia do dispositivo na sustentação da saída elétrica.

"Com esta estrutura assimétrica única, o desempenho elétrico do nosso dispositivo MEG é significativamente melhorado em comparação com as tecnologias MEG anteriores, tornando possível alimentar muitos dispositivos eletrônicos comuns, como monitores de saúde e eletrônicos vestíveis", explicou Asst. Prof. Tan.

O dispositivo MEG da equipe também demonstrou alta flexibilidade e foi capaz de suportar o estresse de torção, rolamento e flexão. Curiosamente, sua excelente flexibilidade foi demonstrada pelos pesquisadores ao dobrar o tecido em um guindaste de origami que não afetou o desempenho elétrico geral do dispositivo.

Fonte de alimentação portátil e muito mais

O dispositivo MEG tem aplicações imediatas devido à sua facilidade de escalabilidade e matérias-primas comercialmente disponíveis. Uma das aplicações mais imediatas é para uso como fonte de energia portátil para alimentação de eletrônicos móveis diretamente pela umidade do ambiente.

"Após a absorção de água, um pedaço de tecido gerador de energia com 1,5 por 2 centímetros de tamanho pode fornecer até 0,7 volts (V) de eletricidade por mais de 150 horas sob um ambiente constante", disse o membro da equipe de pesquisa Dr. Zhang Yaoxin.

A equipe NUS também demonstrou com sucesso a escalabilidade de seu novo dispositivo na geração de eletricidade para diferentes aplicações. A equipe da NUS conectou três peças do tecido gerador de energia e as colocou em uma caixa impressa em 3D do tamanho de uma bateria AA padrão. A voltagem do dispositivo montado foi testada para atingir até 1,96 V - mais alta do que uma bateria AA comercial de cerca de 1,5 V - o que é suficiente para alimentar pequenos dispositivos eletrônicos, como um despertador.

A escalabilidade da invenção NUS, a conveniência de obter matérias-primas comercialmente disponíveis, bem como o baixo custo de fabricação de cerca de US $ 0,15 por metro quadrado, tornam o dispositivo MEG adequado para produção em massa.

"Nosso dispositivo mostra excelente escalabilidade a um baixo custo de fabricação. Comparado a outras estruturas e dispositivos MEG, nossa invenção é mais simples e fácil para escalar integrações e conexões. Acreditamos que é uma grande promessa para comercialização", compartilhou Asst. Prof. Tan.

Os pesquisadores registraram uma patente para a tecnologia e planejam explorar possíveis estratégias de comercialização para aplicações no mundo real. + Explorar mais

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