Năng lượng polymer: Máy phát điện nhờ khai thác ma sát giữa hai bề mặt

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một phương pháp mới để thu được lượng nhỏ điện từ chuyển động trong thế giới xung quanh chúng ta – bằng cách giữ lại sự tích điện sinh ra khi hai loại vật liệu plastic cọ xát vào nhau. Dựa trên các vật liệu polymer linh hoạt, máy phát “điện ma sát” có thể cung cấp dòng xoay chiều (AC) từ các hoạt động như đi bộ.

Hình 1: Sơ đồ quá trình chế tạo bề mặt mẫu trong máy phát nano điện ma sát và cảm biến áp suất. Màng mỏng silicon đảm nhiệm như khuôn mẫu cho chế tạo lớp màng mỏng PDMS với tính năng vi khuôn mẫu

Máy phát điện ma sát có thể bổ sung năng lượng được sản xuất bằng máy phát điện nano, sử dụng hiệu ứng áp điện để tạo dòng từ dây mềm của dây nano oxit kẽm. Bởi vì các máy phát điện ma sát này có thể được làm gần như trong suốt nên chúng có thể cung cấp phương pháp mới để sản xuất các cảm biến hoạt động thay thế công nghệ hiện tại sử dụng cho màn hình thiết bị cảm ứng nhạy cảm.

“Thực tế, quá trình tích điện được sản xuất qua nguyên tắc này đã được biết đến” Zhong Lin Wang cho biết. Giáo sư Regents – ngành Khoa học vật liệu và Kỹ thuật ở Viện Công nghệ Georgia nói “Những gì chúng tôi đã giới thiệu là kỹ thuật tạo khoảng trống sinh ra sự giảm điện áp, dẫn đến dòng thấp cho phép nạp điện để sử dụng. Máy phát điện này có thể chuyển đổi năng lượng cơ học ngẫu nhiên từ môi trường của chúng ta thành năng lượng điện”.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Bộ Năng lượng và Không quân Hoa Kỳ. Thông tin chi tiết được báo cáo trong số ra tháng 6 của tạp chí Nano Letters. Ngoài Wang, tác giả của bài báo bao gồm Feng-Ru Fan, Long Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu và Rui Zhang từ Viện Công nghệ Geogia. Fan liên kết với Phòng thí nghiệm trọng điểm về Hóa lý bề mặt rắn tại Đại học Hạ Môn ở Trung Quốc.

Hình 2: Biểu đồ máy phát nano ma sát điện sản lượng cao, linh hoạt và trong suốt sản xuất từ vật liệu polymer trong suốt

Máy phát điện ma sát hoạt động khi tấm polyester cọ xát với tấm làm bằng polydimethysiloxane (PDMS). Polyester có xu hướng cho electron, trong khi polydimethysiloxane (PDMS) nhận electron. Ngay sau khi bề mặt polymer cọ xát vào nhau, chúng bị tác cơ học, tạo ra khoảng trống không khí cô lập điện tích trên bề mặt PDMS và tạo thành moment lưỡng cực.

Nếu sự tải điện sau đó được kết nối giữa hai bề mặt, một dòng điện nhỏ sẽ chạy qua để cân bằng điện thế điện cực. Bằng cách tiếp tục cọ xát bề mặt lại với nhau và sau đó chúng nhanh chóng tách khỏi nhau, máy phát điện có thể cung cấp một dòng điện xoay chiều nhỏ. Biến dạng bên ngoài được sử dụng để ấn bề mặt vào nhau và trượt lên nhau để tạo ra các chuyển động cọ xát.

“Để làm việc này, bạn phải sử dụng hai loại vật liệu khác nhau để tạo ra điện cực khác nhau” Wang giải thích. “Nếu bạn cọ xát bề mặt với nhau làm từ cùng một vật liệu, bạn không có được sự khác biệt trong quá trình nạp điện”.

Kỹ thuật này có thể cũng được sử dụng để tạo ra cảm biến áp suất hoạt động tự cấp nguồn rất nhạy cảm, tiềm năng sử dụng cho hệ thống điện tử hữu cơ hoặc quang điện tử. Lực từ da hoặc giọt nước chạm vào bề mặt của máy phát điện ma sát tạo ra một dòng nhỏ có thể được phát hiện cho chỉ dẫn liên lạc. Các cảm biến có thể phát hiện áp suất thấp khoảng 13 millipascals.

Bởi vì các thiết bị có thể được làm khoảng 75% trong suốt, chúng có thể được sử dụng trong các màn hình cảm ứng để thay thế cảm biến hiện có. “Máy phát điện trong suốt có thể được chế tạo trên bất kỳ bề mặt nào” Wang cho biết. “Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến nhạy cảm trong suốt mà không yêu cầu năng lượng từ pin của thiết bị”.

Khi bề mặt nhẵn cọ xát với nhau sinh ra tích điện, Wang và nhóm nghiên cứu của ông đã tăng dòng tạo ra bởi sử dụng bề mặt vi khuôn mẫu. Họ đã nghiên cứu ba loại khác nhau của bề mặt mẫu – sợi dài, hình khối và hình chóp- và thấy rằng việc đặt hình chóp trên một trong các bề mặt cọ xát hầu hết tạo ra dòng điện: nhiều nhất là 18V ở khoảng 0.13 microampe mỗi centimet vuông.

Wang cho biết khuôn mẫu nâng công suất phát điện bằng cách tăng tổng tích điện được tạo ra, tăng sự thay đổi điện dung do các khoảng trống không khí tạo ra giữa các khuôn mẫu, và bằng cách tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tích điện.

Để chế tạo máy phát điện ma sát, các nhà nghiên cứu bước đầu tạo ra khuôn từ màng mỏng silicon trên các khuôn mẫu tăng ma sát được tạo ra bởi sử dụng quang khắc truyền thống hoặc quá trình tẩm thực khô hoặc ướt. Các khuôn mẫu, nơi các tính năng của mẫu được tạo ra trong các hốc rỗng, sau đó được xử lý với một chất hóa học để ngăn dính PDMS.

Chất lỏng PDMS đàn hồi và bộ liên kết chéo sau đó được pha trộn rồi phủ xoay trên bề mặt khuôn. Sau đó, Khuôn được bảo dưỡng nhiệt và bóc bề mặt một lớp màng mỏng. Lớp màng PDMS với khuôn mẫu sau đó được cố định trên bề mặt điện cực làm bằng indium oxit kẽm (ITO) được phủ lớp polyethylene terephthalate (PET) bởi lớp liên kết PDMS mỏng. Toàn bộ cấu trúc được bao phủ bởi một lớp màng PET bao bọc bởi lớp ITO khác để tạo ra cấu trúc bánh sandwich. “Toàn bộ quá trình chuẩn bị đơn giản và chi phí thấp, làm cho nó có thể được mở rộng cho sản xuất quy mô lớn và ứng dụng thực tế” Wang nói.

Các máy phát điện mạnh, tiếp tục tạo dòng ngay cả sau vài ngày sử dụng – và hơn 100.000 chu kỳ hoạt động. Wang cho biết; “Bước tiếp theo trong nghiên cứu sẽ tạo ra hệ thống bao gồm cơ chế lưu trữ cho dòng sinh ra”

“Ma sát ở mọi nơi, vì vậy nguyên tắc này có thể được sử dụng ở nhiều ứng dụng” Wang nói thêm. “Chúng tôi đang kết hợp máy phát điện nano trước đó của chúng tôi và máy phát điện ma sát mới này cho mục đích bổ sung. Máy phát điện ma sát không thể thay thế máy phát điện nano oxit kẽm nhưng nó có những lợi thế riêng độc đáo sẽ cho phép chúng ta sử dụng chúng song song”.

Nguồn: www.phys.org

Đỗ Duyên @ Mes Lab., Biên dịch

Authors

*

Top