Hoje, estamos cercados por uma variedade de dispositivos eletrônicos que estão se movendo cada vez mais perto de nós - podemos conectá-los e usá-los, ou até mesmo implantar eletrônicos dentro de nossos corpos.

Muitos tipos de dispositivos inteligentes estão prontamente disponíveis e são fáceis de usar. O objetivo agora é fazer eletrônicos vestíveis que sejam flexíveis, sustentável e alimentado por energia renovável ambiental.

Este último objetivo inspirou um grupo de pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) a explorar como as características físicas atraentes dos materiais de óxido de zinco (ZnO) poderiam ser usadas de forma mais eficaz para explorar fontes de energia mecânica abundantes para alimentar microdispositivos. Eles descobriram que a inserção de camadas isolantes de nitreto de alumínio em dispositivos de coleta de energia baseados em ZnO levou a uma melhoria significativa no desempenho dos dispositivos. Os pesquisadores relatam suas descobertas no jornal Cartas de Física Aplicada .

"A energia mecânica existe em todo lugar, o tempo todo, e em uma variedade de formas - incluindo movimento, som e vibração. A conversão de energia mecânica em energia elétrica é uma abordagem confiável para obter eletricidade para alimentar o sustentável, dispositivos sem fio e flexíveis - sem limitações ambientais, "explicou Giwan Yoon, professor do Departamento de Engenharia Elétrica da KAIST.

Materiais piezoelétricos, como ZnO, bem como vários outros, têm a capacidade de converter energia mecânica em energia elétrica, e vice versa. "As nanoestruturas de ZnO são particularmente adequadas como elementos funcionais de nanogerador, graças às suas inúmeras virtudes, incluindo transparência, biocompatibilidade sem chumbo, formabilidade nanoestrutural, estabilidade química, e propriedades piezoelétricas e semicondutoras acopladas, "observou Yoon.

O conceito-chave por trás do trabalho do grupo? Dispositivos de coleta de microenergia baseados em ZnO flexíveis, também conhecido como "nanogeradores, "pode ​​ser essencialmente composto de matrizes piezoelétricas de nanorod ou nanofio de ZnO ensanduichadas entre dois eletrodos formados nos substratos flexíveis. Em resumo, os mecanismos de trabalho envolvidos podem ser explicados como um fluxo transiente de elétrons impulsionado pelo potencial piezoelétrico.

"Quando os dispositivos flexíveis podem ser facilmente deformados mecanicamente por várias excitações externas, nanobastões ou nanofios de ZnO tensos tendem a gerar cargas polarizadas, que, por sua vez, gerar campos piezoeletrônicos, "disse Yoon." Isso permite que cargas se acumulem nos eletrodos e gera um fluxo de corrente externa, o que leva a sinais eletrônicos. Podemos usar os sinais elétricos de saída diretamente ou armazená-los em dispositivos de armazenamento de energia. "

Outros pesquisadores relataram que o uso de materiais isolantes pode ajudar a fornecer uma barreira de potencial extremamente grande. "Isso torna extremamente importante que os materiais isolantes sejam cuidadosamente selecionados e projetados - levando em consideração as propriedades do material e o mecanismo de operação do dispositivo, "disse Eunju Lee, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Yoon.

A data, Contudo, poucos esforços foram feitos para desenvolver novos materiais isolantes e avaliar sua aplicabilidade a dispositivos nanogeradores ou determinar seus efeitos no desempenho de saída do dispositivo.

Os pesquisadores do KAIST propuseram, pela primeira vez, novas camadas empilhadas de ZnO / nitreto de alumínio (AlN) piezoelétricas para uso em nanogeradores.

"Descobrimos que a inserção de camadas isolantes de AlN em dispositivos de colheita à base de ZnO levou a uma melhoria significativa de seu desempenho - independentemente da espessura da camada e / ou posição da camada nos dispositivos, "disse Lee." Além disso, o desempenho da tensão de saída e a polaridade parecem depender da posição relativa e da espessura das camadas de ZnO e AlN empilhadas, mas isso precisa ser mais explorado. "

Espera-se que as descobertas do grupo forneçam uma abordagem eficaz para a realização de dispositivos de micro colheita de energia baseados em ZnO com alta eficiência energética. "Isso é particularmente útil para sistemas eletrônicos autoalimentados que exigem onipresença e sustentabilidade - dispositivos de comunicação portáteis, dispositivos de monitoramento de saúde, dispositivos de monitoramento ambiental e dispositivos médicos implantáveis, "apontou Yoon. E existem potencialmente muitas outras aplicações.

Próximo, Yoon e seus colegas planejam realizar um estudo mais aprofundado para obter uma compreensão muito mais precisa e abrangente dos mecanismos de operação do dispositivo. "Também exploraremos as configurações e dimensões ideais do dispositivo com base no trabalho de análise do mecanismo de operação, " ele adicionou.