(Phys.org) — D'un seul coup de pied, Zhong Lin Wang illumine un millier d'ampoules LED - sans piles ni cordon d'alimentation. Le courant provient essentiellement de la même source que cette petite étincelle qui saute du bout du doigt à une poignée de porte lorsque vous marchez sur un tapis par temps froid, journée sèche. Wang et son équipe de recherche ont appris à récolter ce pouvoir et à le mettre en œuvre.

Professeur au Georgia Institute of Technology, Wang utilise ce que l'on appelle techniquement l'effet triboélectrique pour créer des quantités surprenantes d'énergie électrique en frottant ou en touchant deux matériaux différents ensemble. Il pense que la découverte peut fournir une nouvelle façon d'alimenter les appareils mobiles tels que les capteurs et les smartphones en capturant l'énergie mécanique autrement gaspillée à partir de sources telles que la marche, le vent qui souffle, vibration, les vagues de l'océan ou même les voitures qui passent.

Au-delà de la production d'électricité, la technologie pourrait également fournir un nouveau type de capteur auto-alimenté, permettant la détection de vibrations, mouvement, fuites d'eau, des explosions – ou même des chutes de pluie. La recherche a été soutenue par une variété de sponsors, dont le National Science Fondation; Département de l'Énergie des États-Unis ; MANA, une partie de l'Institut national des matériaux au Japon; La société coréenne Samsung et l'Académie chinoise des sciences. La recherche a été rapportée dans des revues, y compris ACS Nano , Matériaux avancés , Angewandte Chemie , Sciences de l'énergie et de l'environnement , Nano énergie et Lettres nano .

« Nous sommes en mesure de fournir de petites quantités d'énergie portable pour les applications mobiles et de capteurs d'aujourd'hui, " dit Wang, professeur à la Regents School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. "Cela ouvre une source d'énergie en récupérant de l'énergie à partir d'activités de toutes sortes."

Dans sa forme la plus simple, le générateur triboélectrique utilise deux feuilles de matériaux dissemblables, un un donneur d'électrons, l'autre un accepteur d'électrons. Lorsque les matériaux sont en contact, les électrons passent d'un matériau à l'autre. Si les feuilles sont ensuite séparées, une feuille contient une charge électrique isolée par l'espace entre eux. Si une charge électrique est ensuite connectée à deux électrodes placées sur les bords extérieurs des deux surfaces, un petit courant s'écoulera pour égaliser les charges.

En répétant continuellement le processus, un courant alternatif peut être produit. Dans une variante de la technique, les matériaux – le plus souvent des polymères flexibles bon marché – produisent du courant s'ils sont frottés ensemble avant d'être séparés. Des générateurs produisant du courant continu ont également été construits.

"Le fait qu'une charge électrique puisse être produite par triboélectrification est bien connu, " a expliqué Wang. " Ce que nous avons introduit est une technique de séparation d'espace qui produit une chute de tension, ce qui conduit à un flux de courant dans la charge externe, permettant d'utiliser la charge. Ce générateur peut convertir l'énergie mécanique aléatoire de notre environnement en énergie électrique."

Depuis leur première publication sur la recherche, Wang et son équipe de recherche ont multiplié par 100 la densité de puissance de sortie de leur générateur triboélectrique, 000 – signalant qu'un mètre carré de matériau monocouche peut désormais produire jusqu'à 300 watts. Ils ont découvert que la densité de puissance volumique atteint plus de 400 kilowatts par mètre cube avec un rendement de plus de 50 %. Les chercheurs ont élargi la gamme des techniques de collecte d'énergie des « chemises de puissance » contenant des poches du matériau générateur aux inserts de chaussures, sifflets, pédales, tapis de sol, sacs à dos et flotteurs flottant sur les vagues de l'océan.

Ils ont appris à augmenter la puissance de sortie en appliquant des motifs à l'échelle du micron sur les feuilles de polymère. La structuration augmente efficacement la zone de contact et augmente ainsi l'efficacité du transfert de charge.

Wang et son équipe ont accidentellement découvert le potentiel de production d'énergie de l'effet triboélectrique en travaillant sur des générateurs piézoélectriques, qui utilisent une technologie différente. La sortie d'un dispositif piézoélectrique était beaucoup plus grande que prévu, et la cause de la production plus élevée a été attribuée à un assemblage incorrect qui a permis à deux surfaces polymères de se frotter l'une à l'autre. Six mois de développement ont conduit au premier article de journal sur le générateur triboélectrique en 2012.

"Lorsque deux matériaux sont en contact physique, la triboélectrification se produit, " dit Wang, qui détient la chaire Hightower de la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Quand ils sont séparés, il y a une distance d'écart créée. Pour égaliser la charge locale, les électrons doivent circuler. Nous en tirons une tension et un courant étonnamment élevés. A partir de maintenant, nous avons découvert quatre modes de base des générateurs triboélectriques."

Depuis leur réalisation initiale des possibilités de cet effet, L'équipe de Wang a étendu les applications. Ils peuvent désormais produire du courant à partir du contact eau – eau de mer, de l'eau du robinet et même de l'eau distillée – et une surface en polymère à motifs. Leur dernier article, publié dans la revue ACS Nano en novembre, décrit la récupération d'énergie à partir du pavé tactile d'un ordinateur portable.

Ils utilisent maintenant une large gamme de matériaux, y compris les polymères, tissus et même papiers. Les matériaux sont bon marché, et peut inclure des sources telles que des bouteilles de boissons recyclées. Les générateurs peuvent être fabriqués à partir de polymères presque transparents, permettant leur utilisation dans les tablettes tactiles et les écrans.

Au-delà de son utilisation comme source d'énergie, Wang utilise également l'effet triboélectrique pour détecter sans source d'alimentation externe. Parce que les générateurs produisent du courant lorsqu'ils sont perturbés, ils pourraient être utilisés pour mesurer les changements de débits, mouvement brusque, ou même des gouttes de pluie qui tombent.

"Si une force mécanique est appliquée à ces générateurs, ils produiront un courant et une tension électriques, " dit-il. " Nous pouvons mesurer ce courant et cette tension en tant que signaux électriques pour déterminer l'étendue de l'agitation mécanique. De tels capteurs pourraient être utilisés pour surveiller le trafic, Sécurité, sciences de l'environnement, applications de soins de santé et d'infrastructure.

Pour le futur, Wang et son équipe de recherche prévoient de continuer à étudier les générateurs et les capteurs pour améliorer leur rendement et leur sensibilité. La taille du matériau peut être agrandie, et plusieurs couches peuvent augmenter la puissance de sortie.

"Tout le monde a vu cet effet, mais nous avons pu lui trouver des applications pratiques, " dit Wang. " C'est très simple, et il y a beaucoup plus que nous pouvons faire avec ça."