Dispositivos eletrônicos vestíveis para monitoramento de saúde e condicionamento físico são uma área de rápido crescimento dos produtos eletrônicos de consumo; uma de suas maiores limitações é a capacidade de suas minúsculas baterias de fornecer energia suficiente para transmitir dados. Agora, pesquisadores do MIT e do Canadá descobriram uma nova abordagem promissora para fornecer as explosões de energia curtas, mas intensas, necessárias para esses pequenos dispositivos.

A chave é uma nova abordagem para fazer supercapacitores - dispositivos que podem armazenar e liberar energia elétrica em tais explosões, que são necessários para transmissões breves de dados de dispositivos vestíveis, como monitores de frequência cardíaca, computadores, ou smartphones, dizem os pesquisadores. Eles também podem ser úteis para outras aplicações onde alta potência é necessária em pequenos volumes, como microrrobôs autônomos.

A nova abordagem usa fios, feito de nanofios do elemento nióbio, como os eletrodos em supercapacitores minúsculos (que são essencialmente pares de fibras condutoras de eletricidade com um isolante entre eles). O conceito é descrito em um artigo na revista Materiais e interfaces aplicados ACS pelo professor de engenharia mecânica do MIT Ian W. Hunter, estudante de doutorado Seyed M. Mirvakili, e três outros na University of British Columbia.

Pesquisadores de nanotecnologia têm trabalhado para aumentar o desempenho dos supercapacitores na última década. Entre os nanomateriais, nanopartículas à base de carbono - como nanotubos de carbono e grafeno - têm mostrado resultados promissores, mas eles sofrem de condutividade elétrica relativamente baixa, Mirvakili diz.

Neste novo trabalho, ele e seus colegas mostraram que características desejáveis ​​para tais dispositivos, como alta densidade de potência, não são exclusivos das nanopartículas à base de carbono, e que o fio de nanofio de nióbio é uma alternativa promissora.

"Imagine que você tem algum tipo de sistema de monitoramento de saúde vestível, "Hunter diz, "e precisa transmitir dados, por exemplo, usando Wi-Fi, de longa distância. "No momento, as baterias do tamanho de uma moeda usadas em muitos pequenos dispositivos eletrônicos têm capacidade muito limitada de fornecer muita energia de uma vez, que é o que essas transmissões de dados precisam.

"O Wi-Fi de longa distância requer uma boa quantidade de energia, "diz Hunter, o Professor George N. Hatsopoulos em Termodinâmica no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, "mas pode não ser necessário por muito tempo." Baterias pequenas geralmente não são adequadas para essas necessidades de energia, ele adiciona.

"Sabemos que é um problema experimentado por várias empresas na área de monitoramento de saúde ou monitoramento de exercícios. Portanto, uma alternativa é ir para uma combinação de uma bateria e um capacitor, "Hunter diz:a bateria para longo prazo, funções de baixa potência, e o capacitor para rajadas curtas de alta potência. Essa combinação deve ser capaz de aumentar o alcance do dispositivo, ou - talvez mais importante no mercado - para reduzir significativamente os requisitos de tamanho.

O novo supercapacitor baseado em nanofios excede o desempenho das baterias existentes, enquanto ocupa um volume muito pequeno. "Se você tiver um Apple Watch e eu cortar 30% da massa, você pode nem notar, "Diz Hunter." Mas se você reduzir o volume em 30 por cento, isso seria um grande negócio, "ele diz:Os consumidores são muito sensíveis ao tamanho dos dispositivos vestíveis.

A inovação é especialmente significativa para dispositivos pequenos, Hunter diz, porque outras tecnologias de armazenamento de energia, como células de combustível, baterias, e volantes - tendem a ser menos eficientes, ou simplesmente muito complexo para ser prático quando reduzido a tamanhos muito pequenos. "Estamos em um ponto ideal, " ele diz, com uma tecnologia que pode fornecer grandes explosões de energia a partir de um dispositivo muito pequeno.

Idealmente, Hunter diz, seria desejável ter uma alta densidade de energia volumétrica (a quantidade de energia armazenada em um determinado volume) e uma alta densidade de energia volumétrica (a quantidade de energia em um determinado volume). "Ninguém descobriu como fazer isso, "diz ele. No entanto, com o novo dispositivo, "Temos densidade de potência volumétrica bastante alta, densidade de energia média, e um custo baixo, "uma combinação que pode ser adequada para muitas aplicações.

Nióbio é um material bastante abundante e amplamente utilizado, Mirvakili diz, portanto, todo o sistema deve ser barato e fácil de produzir. "O custo de fabricação é barato, ", diz ele. Outros grupos fizeram supercapacitores semelhantes usando nanotubos de carbono ou outros materiais, mas os fios de nióbio são mais fortes e 100 vezes mais condutores. Geral, Os supercapacitores à base de nióbio podem armazenar até cinco vezes mais energia em um determinado volume do que as versões de nanotubos de carbono.

Nióbio também tem um ponto de fusão muito alto - quase 2, 500 graus Celsius - portanto, os dispositivos feitos com esses nanofios podem ser potencialmente adequados para uso em aplicações de alta temperatura.

Além disso, o material é altamente flexível e pode ser tecido em tecidos, habilitar formulários vestíveis; nanofios de nióbio individuais têm apenas 140 nanômetros de diâmetro - 140 bilionésimos de metro de diâmetro, ou cerca de um milésimo da largura de um cabelo humano.

Até aqui, o material foi produzido apenas em dispositivos em escala de laboratório. O próximo passo, já em andamento, é descobrir como projetar um prático, versão de fácil manufatura, dizem os pesquisadores.

“O trabalho é muito significativo no desenvolvimento de tecidos inteligentes e futuras tecnologias vestíveis, "diz Geoff Spinks, professor de engenharia da Universidade de Wollongong, na Austrália, que não se associou a esta pesquisa. Este papel, ele adiciona, "demonstra de forma convincente o desempenho impressionante dos supercapacitores de fibra à base de nióbio."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.