Le professeur de Georgia Tech, Zhong Lin Wang, détient un nanogénérateur amélioré contenant 700 rangées de réseaux de nanofils. Le générateur a été utilisé pour alimenter des capteurs à l'échelle nanométrique. Crédit : Photo : Gary Meek
En associant une nouvelle génération de nanogénérateurs piézoélectriques à deux types de capteurs à nanofils, des chercheurs ont créé ce que l'on pense être les premiers dispositifs de détection à l'échelle nanométrique autoalimentés qui tirent leur énergie de la conversion de l'énergie mécanique. Les nouveaux appareils peuvent mesurer le pH des liquides ou détecter la présence de lumière ultraviolette en utilisant un courant électrique produit à partir d'énergie mécanique dans l'environnement.
Basé sur des tableaux contenant jusqu'à 20, 000 nanofils d'oxyde de zinc dans chaque nanogénérateur, les appareils peuvent produire jusqu'à 1,2 volts de tension de sortie, et sont fabriqués avec un procédé chimique conçu pour faciliter la fabrication à faible coût sur des substrats flexibles. Des tests effectués avec près d'un millier de nanogénérateurs - qui n'ont pas de pièces mécaniques mobiles - ont montré qu'ils peuvent fonctionner dans le temps sans perte de capacité de production.
Les détails du nanogénérateur amélioré et des nanocapteurs auto-alimentés devaient être publiés le 28 mars dans le journal Nature Nanotechnologie . La recherche a été soutenue par la National Science Foundation, l'Agence des Projets de Recherche Avancée de la Défense, et le ministère de l'Énergie des États-Unis.
« Nous avons démontré un moyen robuste de récupérer de l'énergie et de l'utiliser pour alimenter des capteurs à l'échelle nanométrique, " a déclaré Zhong Lin Wang, un professeur Regents à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. « Nous avons maintenant une feuille de route technologique pour faire évoluer ces nanogénérateurs afin de créer des applications vraiment pratiques. »
Depuis cinq ans, L'équipe de recherche de Wang a développé des générateurs à l'échelle nanométrique qui utilisent l'effet piézoélectrique - qui produit des charges électriques lorsque les fils fabriqués à partir d'oxyde de zinc sont soumis à une contrainte. La contrainte peut être produite en fléchissant simplement les fils, et le courant de nombreux fils peut être combiné de manière constructive pour alimenter de petits appareils. L'effort de recherche s'est récemment concentré sur l'augmentation de la quantité de courant et de tension générée et sur la robustesse des dispositifs.
Dans le journal, Wang et ses collaborateurs rapportent une nouvelle configuration pour les nanofils qui intègre les deux extrémités des minuscules structures dans un substrat polymère. Les fils peuvent alors générer du courant lorsqu'ils sont comprimés dans une enceinte flexible de nanogénérateur, éliminant le contact avec une électrode métallique qui était nécessaire dans les appareils précédents. Parce que les générateurs sont complètement fermés, ils peuvent être utilisés dans une variété d'environnements.
"Nous pouvons maintenant faire pousser les fils chimiquement sur des substrats pliables et flexibles et le traitement peut désormais être effectué à des températures de substrat inférieures à 100 degrés Celsius - environ la température du café, " a expliqué Wang. " Cela permettra une fabrication et une croissance à moindre coût sur à peu près n'importe quel substrat. "
Les nanogénérateurs sont produits à l'aide d'un processus en plusieurs étapes qui comprend la fabrication d'électrodes qui fournissent à la fois des contacts ohmiques et Shottky pour les nanofils. Les tableaux peuvent être développés à la fois verticalement et latéralement. Pour maximiser le courant et la tension, la croissance et l'assemblage nécessitent un alignement de la croissance cristalline, ainsi que la synchronisation des cycles de charge et de décharge.
Cette figure montre (a) la fabrication d'un nanogénérateur intégré à nanofils verticaux (VING), (b) conception d'un réseau de nanogénérateurs intégrés à nanofils latéraux (LING), (c) image au microscope électronique à balayage d'une rangée de réseaux de nanofils d'oxyde de zinc à croissance latérale, et (d) image de la structure LING. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Zhong Lin Wang
La production de nanogénérateurs verticaux commence par la croissance de nanofils d'oxyde de zinc sur une surface recouverte d'or à l'aide d'une méthode chimique humide. Une couche de polyméthacrylate de méthyle est ensuite appliquée par centrifugation sur les nanofils, les recouvrant de haut en bas. Une gravure plasma oxygène est ensuite réalisée, laissant des pointes propres sur lesquelles un morceau de plaquette de silicium recouvert de platine est placé. Le silicium enduit fournit une barrière Shottky, ce qui est essentiel pour maintenir le flux de courant électrique.
La sortie de courant alternatif des nanogénérateurs dépend de la quantité de contrainte appliquée. "A un taux de déformation de moins de deux pour cent par seconde, nous pouvons produire une tension de sortie de 1,2 volts, " a déclaré Wang. " La puissance de sortie est adaptée à la charge externe. "
Des nanogénérateurs latéraux intégrant 700 rangées de nanofils d'oxyde de zinc ont produit une tension de crête de 1,26 volts à une contrainte de 0,19 pour cent. Dans un nanogénérateur séparé, l'intégration verticale de trois couches de réseaux de nanofils d'oxyde de zinc a produit une densité de puissance maximale de 2,7 milliwatts par centimètre cube.
L'équipe de Wang a jusqu'à présent produit deux minuscules capteurs basés sur des nanofils d'oxyde de zinc et alimentés par les nanogénérateurs. En mesurant l'amplitude des changements de tension à travers l'appareil lorsqu'il est exposé à différents liquides, le capteur de pH peut mesurer l'acidité des liquides. Un nanocapteur ultraviolet dépend de changements de tension similaires pour détecter lorsqu'il est frappé par la lumière ultraviolette.
En plus de Wang, l'équipe qui a rédigé l'article comprenait Sheng Xu, Yong Qin, Chen Xu, Yaguang Wei, et Rusen Wang, tous de la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech.
Le nouveau générateur et les capteurs nanométriques ouvrent de nouvelles possibilités pour de très petits dispositifs de détection pouvant fonctionner sans piles, alimenté par l'énergie mécanique récupérée de l'environnement. Les sources d'énergie pourraient inclure le mouvement des marées, ondes sonores, vibrations mécaniques, le battement d'un drapeau au vent, pression des chaussures d'un randonneur ou le mouvement des vêtements.
"Construire des appareils petits n'est pas suffisant, " a noté Wang. " Nous devons également être en mesure de les alimenter d'une manière durable qui leur permet d'être mobiles. Grâce à notre nouveau nanogénérateur, nous pouvons mettre ces appareils dans l'environnement où ils peuvent fonctionner de manière autonome et durable sans nécessiter de batterie."
