Le nanogénérateur triboélectrique peut détecter lorsque les porteurs sont en danger ou handicapés car il peut détecter la différence entre marcher, fonctionnement, saut et immobilité. Crédit :UCLA et McMaster University
Imaginez un appareil capable de résister aux incendies les plus intenses afin de signaler automatiquement aux autres lorsqu'un pompier est immobilisé au travail.
Des chercheurs de l'UCLA et des collègues de deux autres universités ont conçu le premier ignifuge, détecteur de mouvement auto-extinguible et groupe électrogène. Le dispositif, qui est de la taille d'un quart, pourrait être incrusté dans des chaussures ou des vêtements portés par les pompiers, foreurs pétroliers ou autres personnes dont le travail implique des températures extrêmes ou des environnements difficiles.
La recherche, qui a été publié dans la revue Nano énergie , était dirigé par Richard Kaner, Le Dr Myung Ki Hong de l'UCLA est titulaire de la chaire en innovation des matériaux et membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA.
Le capteur auto-alimenté est un type de nanogénérateur triboélectrique. La charge triboélectrique génère de l'énergie à partir de l'échange d'électrons lorsqu'un matériau se frotte contre un autre - dans ce cas, l'appareil lui-même et les vêtements ou la peau du porteur, ou l'appareil et le sol. Le phénomène est le même que celui qui crée un choc électrique lorsque vous touchez une poignée de porte après avoir frotté vos pieds sur un tapis.
Le dispositif, que les scientifiques ont baptisé FRTENG (pour "fire-retardant triboelectric nanogenerator"), peut détecter quand les porteurs sont en danger ou handicapés car il peut sentir la différence entre marcher, fonctionnement, saut et immobilité.
"Différents mouvements créent des signaux électriques avec des tensions et des courants différents, " dit Maher El-Kady, chercheur adjoint à l'UCLA et co-auteur de l'étude. "Ces différents courants nous permettent d'identifier si et comment quelqu'un se déplace, afin que l'appareil puisse être intégré dans les chaussures d'un pompier, par exemple, et envoyer un signal d'aide sans fil en cas d'urgence."
Le nouvel appareil est fabriqué à partir d'un aérogel de carbone à la fois extrêmement léger et stable à haute température, ce qui le rend idéal pour les conditions extrêmes. Crédit :UCLA et McMaster University
Des nanogénérateurs triboélectriques existent déjà, mais parce qu'ils utilisent des matériaux comme les plastiques et les textiles inflammables, les modèles actuels ne résistent pas au feu ou aux températures extrêmes, dit Kaner, qui est également un éminent professeur de chimie et de biochimie, et de la science et de l'ingénierie des matériaux.
Pour surmonter cet obstacle, le nouvel appareil est fabriqué à partir d'un aérogel de carbone inventé par les chercheurs. L'aérogel est à la fois extrêmement léger (95 % de son volume est de l'air) et stable à haute température, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans un dispositif ignifuge.
"L'aérogel de carbone conduit efficacement l'électricité et contient des matériaux respectueux de l'environnement, " dit El-Kady. " Parce que l'aérogel est si léger, le porteur ne sentirait même pas l'appareil."
Pour former l'aérogel, les chercheurs ont mélangé deux produits chimiques, formaldéhyde et résorcinol, avec des fibres de polyacrylonitrile et des feuilles d'oxyde de graphène de quelques nanomètres d'épaisseur - un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre, soit environ 1/75, 000e de la largeur d'un cheveu humain pour créer un gel. Les nanofibres et les nanofeuilles soutiennent le matériau ultra-léger.
Ils ont ensuite séché le gel pour éliminer le contenu liquide, et chauffé dans une petite chambre remplie d'hydrogène, laissant derrière lui un nanocomposite d'aérogel de carbone durable mais léger.
"En utilisant la charge triboélectrique, l'aérogel de carbone fonctionne comme un capteur de mouvement et un générateur d'énergie, " a déclaré Abdelsalam Ahmed, le premier auteur de l'étude, chercheur invité à l'Université McMaster. "Contrairement aux capteurs traditionnels qui dépendent des batteries pour leur alimentation, le nouvel appareil peut fonctionner indéfiniment sans avoir besoin de sources d'alimentation."
Pour tester la résistance au feu de l'appareil, les scientifiques l'ont exposé à une flamme de butane pendant 90 secondes. Ils ont découvert que non seulement cela n'avait pas propagé le feu, mais qu'il était auto-extinguible. Et, même à 200 degrés Celsius, la structure de l'appareil a été préservée et sa puissance électrique est restée stable. A cette température, la plupart des dispositifs triboélectriques conventionnels perdent en performances voire prennent feu, dit Kaner.
El-Kady a déclaré que le nouvel appareil pourrait également être utile lors de missions spatiales – pour suivre les signes vitaux des astronautes ou pour générer de l'énergie d'urgence, par exemple. Les températures extrêmes empêchent souvent l'utilisation d'autres appareils électroniques pendant les vols spatiaux.
