Des chercheurs du Nanomaterials Institute (CNI) de Clemson font un pas de plus vers l'alimentation sans fil du monde à l'aide de la triboélectricité - une source d'énergie verte.

En mars 2017, un groupe de physiciens du CNI a inventé le nanogénérateur triboélectrique ultra-simple, ou U-TENG - un petit appareil fait simplement de plastique et de ruban adhésif qui génère de l'électricité à partir du mouvement et des vibrations. Lorsque les deux matériaux sont réunis - en tapant des mains ou des pieds, par exemple - une tension est générée qui est détectée par un câble, circuit externe. Énergie électrique, en passant par le circuit, est ensuite stocké dans un condensateur ou une batterie jusqu'à ce qu'il soit nécessaire.

Neuf mois plus tard, dans un article publié dans la revue Matériaux énergétiques avancés , les chercheurs ont découvert une version sans fil de TENG, appelé le W-TENG, ce qui élargit considérablement les applications de la technologie.

Le W-TENG a été conçu sur le même principe que le U-TENG, en utilisant des matériaux dont l'affinité pour les électrons est si opposée qu'ils génèrent une tension lorsqu'ils sont mis en contact les uns avec les autres.

Dans le W-TENG, le plastique a été remplacé par une fibre en plusieurs parties en graphène - une seule couche de graphite, ou une mine de crayon - et un polymère biodégradable connu sous le nom d'acide polylactique (PLA). PLA, tout seul, est idéal pour séparer les charges positives et négatives, mais pas si bon pour conduire l'électricité - c'est pourquoi les chercheurs l'ont associé au graphène. Ruban Kapton, le matériau capteur d'électrons de l'U-TENG - a été remplacé par du téflon, un composé connu pour le revêtement des casseroles antiadhésives.

"Nous utilisons le téflon car il contient beaucoup de groupes fluor très électronégatifs, alors que le graphène-PLA est hautement électropositif. C'est un bon moyen de juxtaposer et de créer des hautes tensions, " dit Ramakrishna Podila, auteur correspondant de l'étude et professeur adjoint de physique à Clemson.

Pour obtenir du graphène, les chercheurs ont exposé son composé parent, graphite, à une onde sonore à haute fréquence. L'onde sonore agit alors comme une sorte de couteau, découper le "jeu de cartes" qui est du graphite en couche après couche de graphène. Ce processus, appelé sonication, C'est ainsi que CNI est en mesure d'augmenter la production de graphène pour répondre aux demandes de recherche et développement du W-TENG et d'autres inventions de nanomatériaux en cours de développement.

Après assemblage de la fibre graphène-PLA, les chercheurs ont exploité la fabrication additive - autrement connue sous le nom d'impression 3D - pour tirer la fibre dans une imprimante 3D, et le W-TENG est né.

Le résultat final est un appareil qui génère une tension maximale de 3000 volts - assez pour alimenter 25 prises électriques standard, ou à plus grande échelle, des vitres teintées intelligentes ou un écran à cristaux liquides (LCD). Parce que la tension est si élevée, le W-TENG génère un champ électrique autour de lui qui peut être détecté sans fil. Son énergie électrique, trop, peut être stocké sans fil dans des condensateurs et des batteries.

"Cela ne peut pas seulement vous donner de l'énergie, mais vous pouvez également utiliser le champ électrique comme télécommande actionnée. Par exemple, vous pouvez appuyer sur le W-TENG et utiliser son champ électrique comme « bouton » pour ouvrir votre porte de garage, ou vous pouvez activer un système de sécurité - le tout sans batterie, passivement et sans fil, " a déclaré Sai Sunil Mallineni, le premier auteur de l'étude et un doctorat. étudiant en physique et astronomie.

Les applications sans fil du W-TENG sont abondantes, s'étendant à des environnements à ressources limitées, comme dans l'espace extra-atmosphérique, le milieu de l'océan ou même le champ de bataille militaire. En tant que tel, Podila dit qu'il y a une utilisation philanthropique certaine pour l'invention de l'équipe.

"Plusieurs pays en développement ont besoin de beaucoup d'énergie, bien que nous n'ayons peut-être pas accès aux batteries ou aux prises de courant dans de tels paramètres, " a déclaré Podila. " Le W-TENG pourrait être l'un des moyens les plus propres de générer de l'énergie dans ces domaines. "

L'équipe de chercheurs, à nouveau dirigé par Mallineni, est en train de breveter le W-TENG par le biais de la Clemson University Research Foundation. Professeur Apparao Rao, directeur du Clemson Nanomaterials Institute, est également en pourparlers avec des partenaires industriels pour commencer à intégrer le W-TENG dans les applications énergétiques.

Cependant, avant la production industrielle, Podila dit que des recherches supplémentaires sont en cours pour remplacer le téflon par un matériau plus respectueux de l'environnement, matériau électronégatif. Un candidat à la refonte est MXene, un composé inorganique bidimensionnel qui a la conductivité d'un métal de transition et la nature hydrophile des alcools comme le propanol. Yongchang Dong, un autre étudiant diplômé du CNI, a dirigé les travaux de démonstration du MXene-TENG, qui a été publié dans un article de novembre 2017 dans la revue Nano énergie . Herbert Behlow et Sriparna Bhattacharya du CNI ont également contribué à ces études.

Le W-TENG aura-t-il un impact dans le domaine de l'alternative, énergies renouvelables? Rao dit que cela se résumera à l'économie,

« Nous ne pouvons aller plus loin en tant que scientifiques ; l'économie doit fonctionner pour que le W-TENG réussisse, " dit Rao.