Pesquisadores do Instituto de Nanomateriais (CNI) de Clemson estão um passo mais perto de fornecer energia sem fio ao mundo usando triboeletricidade - uma fonte de energia verde.

Em março de 2017, um grupo de físicos da CNI inventou o nanogerador triboelétrico ultra-simples, ou U-TENG - um pequeno dispositivo feito simplesmente de plástico e fita que gera eletricidade a partir de movimentos e vibrações. Quando os dois materiais são reunidos - batendo palmas ou batendo os pés, por exemplo - é gerada uma tensão que é detectada por um fio, circuito externo. Energia elétrica, por meio do circuito, é então armazenado em um capacitor ou bateria até que seja necessário.

Nove meses depois, em um artigo publicado na revista Materiais de energia avançada , os pesquisadores descobriram uma versão sem fio do TENG, chamado de W-TENG, o que expande muito as aplicações da tecnologia.

O W-TENG foi projetado sob a mesma premissa do U-TENG, usando materiais que são tão opostos em afinidade por elétrons que eles geram uma voltagem quando colocados em contato um com o outro.

No W-TENG, plástico foi trocado por uma fibra multiparte feita de grafeno - uma única camada de grafite, ou grafite - e um polímero biodegradável conhecido como ácido poli-láctico (PLA). PLA, sozinho, é ótimo para separar cargas positivas e negativas, mas não tão bom na condução de eletricidade - razão pela qual os pesquisadores o emparelharam com o grafeno. Fita Kapton, o material de captura de elétrons do U-TENG - foi substituído por Teflon, um composto conhecido por revestir panelas antiaderentes.

"Usamos Teflon porque ele tem muitos grupos de flúor que são altamente eletronegativos, enquanto o grafeno-PLA é altamente eletropositivo. Essa é uma boa maneira de justapor e criar altas tensões, "disse Ramakrishna Podila, autor correspondente do estudo e professor assistente de física na Clemson.

Para obter grafeno, os pesquisadores expuseram seu composto original, grafite, a uma onda sonora de alta frequência. A onda sonora então age como uma espécie de faca, fatiar o "baralho de cartas" que é grafite em camada após camada de grafeno. Este processo, chamado sonicação, é como a CNI é capaz de aumentar a produção de grafeno para atender às demandas de pesquisa e desenvolvimento do W-TENG e outras invenções de nanomateriais em desenvolvimento.

Depois de montar a fibra de grafeno-PLA, os pesquisadores exploraram a manufatura aditiva - também conhecida como impressão 3D - para puxar a fibra para uma impressora 3D, e o W-TENG nasceu.

O resultado final é um dispositivo que gera uma tensão máxima de 3.000 volts - o suficiente para alimentar 25 tomadas elétricas padrão, ou em uma escala maior, janelas coloridas inteligentes ou um monitor de cristal líquido (LCD). Porque a voltagem é tão alta, o W-TENG gera um campo elétrico ao seu redor que pode ser detectado sem fio. Sua energia elétrica, também, pode ser armazenado sem fio em capacitores e baterias.

"Não pode apenas dar-lhe energia, mas você pode usar o campo elétrico também como um controle remoto acionado. Por exemplo, você pode tocar no W-TENG e usar seu campo elétrico como um 'botão' para abrir a porta da garagem, ou você pode ativar um sistema de segurança - tudo sem bateria, passivamente e sem fio, "disse Sai Sunil Mallineni, o primeiro autor do estudo e um Ph.D. estudante de física e astronomia.

As aplicações sem fio do W-TENG são abundantes, estendendo-se para configurações com recursos limitados, como no espaço sideral, no meio do oceano ou mesmo no campo de batalha militar. Como tal, Podila diz que há um uso filantrópico definitivo para a invenção da equipe.

“Vários países em desenvolvimento requerem muita energia, embora possamos não ter acesso a baterias ou tomadas em tais configurações, "Podila disse." O W-TENG pode ser uma das formas mais limpas de gerar energia nessas áreas. "

A equipe de pesquisadores, novamente liderado por Mallineni, está em processo de patentear o W-TENG por meio da Clemson University Research Foundation. Professor Apparao Rao, diretor do Clemson Nanomaterials Institute, também está em negociações com parceiros industriais para começar a integrar o W-TENG em aplicações de energia.

Contudo, antes da produção industrial, Podila diz que mais pesquisas estão sendo feitas para substituir o Teflon por um mais ecológico, material eletronegativo. Um candidato ao redesenho é o MXene, um composto inorgânico bidimensional que tem a condutividade de um metal de transição e a natureza amante da água dos álcoois como o propanol. Yongchang Dong, outro aluno de pós-graduação da CNI, liderou o trabalho de demonstração do MXene-TENG, que foi publicado em um artigo de novembro de 2017 na revista Nano Energia . Herbert Behlow e Sriparna Bhattacharya da CNI também contribuíram para esses estudos.

O W-TENG terá um impacto no reino das alternativas, energias renováveis? Rao diz que tudo se resumirá à economia,

"Só podemos ir tão longe como cientistas; a economia precisa funcionar para que o W-TENG seja bem-sucedido, "Disse Rao.