Formados pelo efeito de acoplamento da eletrificação de contato e da indução eletrostática, os nanogeradores triboelétricos (TENG) convertem efetivamente a energia micro-nano mais amplamente distribuída em nosso ambiente, incluindo movimento humano, brisa, vibração e chuva, em energia elétrica, fornecendo uma solução sustentável para alimentar uma infinidade de sensores que a fonte atual da bateria não conseguiu resolver.



No entanto, a corrente de saída e a potência do TENG são limitadas devido à baixa densidade de carga superficial.

As cargas adquiridas na superfície triboelétrica permanecem limitadas e instáveis, necessitando de estratégias adicionais para aumentar a corrente de saída e a densidade de potência. Além disso, o sensoriamento triboelétrico tem baixa resolução e permanece na regulação do sensoriamento em macroescala. Além disso, o TENG possui uma impedância interna capacitiva inerente, exigindo uma estratégia eficaz de gerenciamento de energia para reduzir a impedância de saída do TENG e atender às demandas da eletrônica e dos sistemas autoalimentados.

Em resposta aos desafios enfrentados pelo TENG, o grupo do Prof. Chi Zhang do Instituto de Nanoenergia e Nanossistemas de Pequim realizou três ramos da tribotrônica que abordam esses desafios incorporando materiais e tecnologias semicondutores, nomeadamente o efeito tribovoltaico, o efeito de campo triboelétrico e gerenciamento de energia triboelétrica.

Eles realizam o dispositivo triboelétrico com alta densidade de potência, transistores triboelétricos com efeito fechado em nanoescala e sistemas triboelétricos autoalimentados com fornecimento de energia de alta eficiência, e a demonstração da aplicação de nós de sensores sem fio autoalimentados foi realizada para o campo industrial.

Publicado no Jornal Internacional de Fabricação Extrema , esta pesquisa, ao resumir os avanços recentes em tribotrônica, visa impulsionar o desenvolvimento de novos dispositivos triboelétricos e microssistemas autoalimentados nas áreas de fabricação inteligente, redes de sensores sem fio e Internet das Coisas industrial.

O professor Chi Zhang, o principal pesquisador, disse:"Com materiais semicondutores em vez de isoladores como materiais de fricção para TENG, foi observada geração de energia em corrente contínua, que é chamada de efeito tribovoltaico. Comparado com o TENG, o gerador tribovoltaico não é limitado por a densidade de carga superficial, que aumenta a densidade de corrente em uma ordem de grandeza, e tem vantagens na alta densidade de potência."

O efeito tribovoltaico ocorre na interface do semicondutor. Quando o atrito é aplicado à camada dielétrica na superfície do semicondutor, o potencial triboelétrico gerado pelo atrito pode ser usado para regular o transporte do portador no semicondutor. O coautor, Dr. Junqing Zhao, disse:"O potencial triboelétrico gerado pelo TENG pode ser usado como uma tensão de porta em um transistor de efeito de campo, com base no qual a detecção mecânica ativa e a detecção tátil em nanoescala podem ser realizadas."

Além de estudar a eletrônica de sistemas de atrito interfacial, é proposto o método de gerenciamento de energia triboelétrica baseado em TENG utilizando tecnologia de semicondutores para melhorar a eficiência do fornecimento de energia. Junqing Zhao acredita:"A estratégia de gerenciamento de energia de redução de impedância baseada na tecnologia de dispositivos semicondutores melhora o efeito de fornecimento de energia para sensores e microssistemas, o que rompe a aplicação de dispositivos tribotrônicos no campo de redes de detecção autoalimentadas."

O professor Chi Zhang disse:"A tribotrônica é um novo campo que explora a interação entre triboeletricidade e semicondutores. Por um lado, a pesquisa se concentra na eletrônica de sistemas de fricção interfacial, como o efeito tribovoltaico e o efeito do campo triboelétrico, para desenvolver dispositivos tribotrônicos para energia conversão, detecção ativa e controle."

"Por outro lado, a pesquisa se concentra na tecnologia triboelétrica por meio da eletrônica, abrangendo modulação de energia, armazenamento e utilização de triboeletricidade, permitindo assim a coleta eficiente de energia micromecânica e fornecendo soluções de microenergia para detecção distribuída."

"No entanto, alguns problemas permanecem nesta fase, incluindo a investigação aprofundada do mecanismo de conversão de energia para o efeito tribovoltaico, o desenvolvimento de novos dispositivos tribotrónicos, combinando materiais inovadores com tecnologia de fabrico, e a melhoria da gestão de energia triboeléctrica para explorar plenamente o seu potencial. novas aplicações eletromecânicas ".

"Ao combinar com uma variedade de disciplinas, como nanoenergia e sistemas microeletromecânicos, a tribotrônica expandirá as aplicações potenciais em novos campos, como sensoriamento inteligente, ciência da energia, interface homem-máquina e biociência."

Mais informações: Chi Zhang et al, Tribotrônica:um campo emergente ao acoplar triboeletricidade e semicondutores, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ace669
Fornecido por International Journal of Extreme Manufacturing