Ce schéma montre le processus de fabrication des surfaces à motifs dans les nanogénérateurs triboélectriques et les capteurs de pression. Une plaquette de silicium à motifs sert de moule pour la fabrication de films minces PDMS avec des caractéristiques à micro-motifs. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Zhong Lin Wang
Les chercheurs ont découvert un autre moyen de récolter de petites quantités d'électricité à partir du mouvement dans le monde qui nous entoure - cette fois en capturant la charge électrique produite lorsque deux types de matériaux plastiques différents se frottent l'un contre l'autre. A base de matériaux polymères souples, ce générateur "triboélectrique" pourrait fournir du courant alternatif (AC) à partir d'activités telles que la marche.
Le générateur triboélectrique pourrait compléter la puissance produite par les nanogénérateurs qui utilisent l'effet piézoélectrique pour créer du courant à partir de la flexion des nanofils d'oxyde de zinc. Et parce que ces générateurs triboélectriques peuvent être rendus presque transparents, ils pourraient offrir une nouvelle façon de produire des capteurs actifs qui pourraient remplacer la technologie maintenant utilisée pour les écrans tactiles.
"Le fait qu'une charge électrique puisse être produite par ce principe est bien connu, " a déclaré Zhong Lin Wang, un professeur Regents à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. "Ce que nous avons introduit, c'est une technique de séparation d'entrefer qui produit une chute de tension, qui conduit à un passage de courant, permettant d'utiliser la charge. Ce générateur peut convertir l'énergie mécanique aléatoire de notre environnement en énergie électrique."
La recherche a été financée par la National Science Foundation, le ministère de l'Énergie et l'US Air Force. Les détails ont été rapportés dans le numéro de juin du journal Lettres nano . En plus de Wang, les auteurs de l'article comprenaient Feng-Ru Fan, Long Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu et Rui Zhang de Georgia Tech. Fan est également affilié au State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces de l'Université de Xiamen en Chine.
Ce diagramme montre un nouveau haut rendement, nanogénérateur trioboélectrique flexible et transparent réalisé à partir de matériaux polymères transparents. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Zhong Lin Wang
Le générateur triboélectrique fonctionne lorsqu'une feuille de polyester frotte contre une feuille de polydiméthysiloxane (PDMS). Le polyester a tendance à donner des électrons, tandis que le PDMS accepte les électrons. Immédiatement après le frottement des surfaces polymères, ils sont séparés mécaniquement, créant un entrefer qui isole la charge sur la surface du PDMS et forme un moment dipolaire.
Si une charge électrique est ensuite connectée entre les deux surfaces, un petit courant s'écoulera pour égaliser le potentiel de charge. En frottant continuellement les surfaces entre elles puis en les séparant rapidement, le générateur peut fournir un faible courant alternatif. Une déformation externe est utilisée pour presser les surfaces ensemble et les faire glisser pour créer le mouvement de frottement.
"Pour que ça marche, vous devez utiliser deux types de matériaux différents pour créer les différentes électrodes, " Expliqua Wang. " Si vous frottez ensemble des surfaces faites du même matériau, vous n'obtenez pas le différentiel de charge."
La technique pourrait également être utilisée pour créer un capteur de pression actif auto-alimenté très sensible pour une utilisation potentielle avec des systèmes électroniques organiques ou opto-électroniques. La force d'une plume ou d'une goutte d'eau touchant la surface du générateur triboélectrique produit un petit courant qui peut être détecté pour indiquer le contact. Les capteurs peuvent détecter une pression aussi basse qu'environ 13 millipascals.
Étant donné que les appareils peuvent être rendus transparents à environ 75 %, ils pourraient potentiellement être utilisés dans les écrans tactiles pour remplacer les capteurs existants. "Les générateurs transparents peuvent être fabriqués sur pratiquement n'importe quelle surface, ", a déclaré Wang. "Cette technique pourrait être utilisée pour créer des capteurs transparents très sensibles qui n'auraient pas besoin d'être alimentés par la batterie d'un appareil."
Alors que les surfaces lisses frottant ensemble génèrent une charge, Wang et son équipe de recherche ont augmenté la production actuelle en utilisant des surfaces à micro-motifs. Ils ont étudié trois types différents de motifs de surface - lignes, cubes et pyramides - et a constaté que le fait de placer des formes de pyramide sur l'une des surfaces de frottement générait le plus de courant électrique :jusqu'à 18 volts à environ 0,13 microampères par centimètre carré.
Une configuration comme celle-ci est utilisée pour augmenter la sortie de courant du générateur triboélectrique. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Zhong Lin Wang
Wang a déclaré que la structuration a amélioré la capacité de génération en augmentant la quantité de charge formée, améliorer le changement de capacité dû aux vides d'air créés entre les motifs, et en facilitant la séparation des charges.
Pour fabriquer les générateurs triboélectriques, les chercheurs ont commencé par créer un moule à partir d'une plaquette de silicium sur lequel les motifs améliorant le frottement sont formés à l'aide de la photolithographie traditionnelle et d'un processus de gravure sèche ou humide. Les moules, dans lequel les caractéristiques des motifs sont formées en creux, ont ensuite été traités avec un produit chimique pour empêcher le PDMS de coller.
L'élastomère PDMS liquide et le réticulant ont ensuite été mélangés et déposés par centrifugation sur le moule, et après durcissement thermique, décollé comme un film mince. Le film PDMS avec motif a ensuite été fixé sur une surface d'électrode en oxyde d'indium et d'étain (ITO) recouverte de polyéthylène téréphtalate (PET) par une fine couche de liaison PDMS. L'ensemble de la structure a ensuite été recouvert d'un autre film PET enduit d'ITO pour former une structure sandwich.
"L'ensemble du processus de préparation est simple et peu coûteux, permettant d'être mis à l'échelle pour une production à grande échelle et des applications pratiques, " a dit Wang.
Les générateurs sont robustes, continuer à produire du courant même après des jours d'utilisation - et plus de 100, 000 cycles de fonctionnement, a dit Wang. La prochaine étape de la recherche sera de créer des systèmes qui incluent des mécanismes de stockage pour le courant généré.
"Le frottement est partout, donc ce principe pourrait être utilisé dans beaucoup d'applications, " Wang added. "We are combining our earlier nanogenerator and this new triboelectric generator for complementary purposes. The triboelectric generator won't replace the zinc oxide nanogenerator, but it has its own unique advantages that will allow us to use them in parallel."
