Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica: Perlas de Plástico Impulsan la Tecnología Portátil

Un equipo internacional de ingenieros demostró recientemente un nuevo estilo de generadores de nanogeneración triboeléctrica (TENG) que mejora la creación de energía y reduce los costos de fabricación. La triboelectrificación se refiere a la captura de la electricidad creada por la carga estática. Esta fuente de energía limpia y fácilmente disponible podría desbloquear un futuro más verde algún día.

A medida que aumenta la presión para alcanzar cero emisiones netas de carbono a escala global, se ha prestado mucha atención a la creación de alternativas de energía verde. Notablemente, las innovaciones en la generación de energía solar, eólica y geotérmica reciben la mayoría de los titulares, mientras que otros métodos como la triboelectrificación siguen ganando tracción. Aquí está cómo esta tecnología podría crear dispositivos portátiles mejorados, generar energía renovable y abrir la puerta a operaciones más seguras.

Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica (TENG)

Los TENG utilizan la carga estática generada cuando los materiales se frotan entre sí. Cuando ciertas superficies de material entran en contacto con materiales específicos, se produce una carga. Esta carga estática se puede mejorar, lo que permite una generación de electricidad confiable.

Notablemente, los TENG actuales dependen de pequeñas perlas de plástico. Estas perlas apretadamente empaquetadas tienen cargas diferentes, con algunas siendo negativas y otras positivas. Cuando se frotan entre sí, la combinación de fricción, adhesión y separación trabajan juntas para crear un contacto de superficie adicional, lo que permite que estos generadores maximicen su producción.

Problemas con los TENG hoy en día

Aún hay varias preguntas y problemas sin resolver que los ingenieros deben superar para hacer que los TENG sean una alternativa confiable a otras soluciones de energía verde. Por un lado, hay una falta de comprensión sobre la disipación de carga y la mejor manera de controlarla. Esta brecha en el conocimiento debe ser cubierta para mejorar el rendimiento y la confiabilidad de los TANG en el futuro.

Source – Ignaas Jimidar

Hasta hace poco, se creía que la triboelectrificación requería materiales variables para ser utilizados en el TENG. Por ejemplo, el politetrafluoroetileno y el polidimetilsiloxano se probaron como opciones confiables. Sin embargo, un equipo de investigadores innovadores acaba de desacreditar esa creencia con la introducción de su último diseño de TENG mejorado.

Estudio de Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica

El estudio “Granular Interfaces in TENGs: The of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters“¹ busca arrojar luz sobre las complejidades de la dispersión de carga de triboelectrificación y el uso de materiales.

Específicamente, los ingenieros presentan un nuevo método que admite el comportamiento de electrificación por contacto utilizando perlas casi idénticas. Este enfoque reduce los costos de fabricación y permite más personalización.

Para empezar, los ingenieros crearon un TENG basado en granulos que integra dos electrodos que están cubiertos con monocapas de perlas de polímero monodispersas. Este conjunto sin disolvente es más seguro y eficiente que las alternativas, ya que elimina subproductos químicos nocivos y riesgos.

Para lograr la generación sin disolvente, los científicos depositaron perlas monodispersas sobre un sustrato plano. Luego crearon fricción frotando las capas entre sí. La forma de las perlas creó una fricción de rodadura que aumentó la tensión superficial.

Encontrar las perlas adecuadas

Notablemente, el equipo descubrió que el uso de diferentes tipos de perlas en el proceso tenía algunas ventajas. Por un lado, la electrificación entre ciertos granos se mejoró debido a las diferencias existentes en tamaño, forma, tensión, densidad de carga superficial o rugosidad superficial causada por la humedad o factores ambientales.

Los ingenieros aprendieron desde el principio que el tipo de perlas utilizadas afectaría los resultados finales. Su investigación demostró que pequeños cambios en la selección de materiales tienen un gran impacto en las capacidades de generación de energía.

Material

El equipo probó muchos tipos diferentes de materiales de polímero durante el proceso. Notaron que los materiales de polímero ofrecen respuesta a estímulos y proporcionan una base confiable. Varias variantes de perlas se dispusieron antes de decidirse por perlas de melamina-formaldehído (MF).

Las perlas de MF demostraron ventajas distintas durante la carga triboeléctrica. Por un lado, ofrecen una mejor retención de carga y tienen baja elasticidad. Además, tienen el módulo elástico más alto o la energía de cohesión.

También muestran siempre una carga positiva cuando se colocan en contacto con ciertos materiales como perlas de PMMA y muestran la carga más alta debido a su módulo de Young relativamente más alto. El módulo de Young es un algoritmo utilizado para medir la rigidez o la resistencia a la deformación elástica cuando se somete a carga.

Tamaño de la perla

El equipo también experimentó con muchos tamaños diferentes de perlas. Específicamente, los ingenieros utilizaron partículas monodispersas con diámetros variables de 0,5, 3 y 10 µm. Notaron que las perlas más grandes eran más propensas a retener una carga negativa, mientras que las perlas más pequeñas retenían cargas positivas.

Monocapas

Una vez que se determinó el material, el tamaño y el espaciado de las perlas, los ingenieros crearon monocapas del material. Según su informe, el equipo utiliza técnicas de frotamiento de partículas sin disolvente en sustratos recubiertos con fluorocarbono.

Diseño

Este diseño fue la primera vez que los científicos utilizaron partículas discretas en una configuración de monocapa apretadamente empaquetada como un electrodo de TENG. Este enfoque proporciona la mayor densidad de empaquetado hexagonal apretadamente empaquetada (HCP) y ofrece más contacto de superficie, mientras reduce el área de superficie, lo que permite un intercambio de carga mayor entre ellas.

Cómo funcionan los Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica

Para operar el generador de nanogeneración triboeléctrica, se inicia un movimiento de frotamiento. Esta acción causa que la mezcla de monocapas de polimetilmetacrilato (PMMA), poliestireno (PS) y resina de melamina (MF) en polvo seco se frote. Esta acción crea triboelectrificación entre las perlas y los sustratos.

Prueba de Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica

Los ingenieros realizaron varias pruebas para demostrar la eficiencia de su nuevo generador. Parte del proceso de prueba incluyó experimentos de contacto-separación (CS). Específicamente, los ingenieros utilizaron una microscopía de fuerza de Kelvin (KPFM) y un microscopio de fuerza atómica (AFM) para monitorear la adhesión de superficie, el fenómeno de electrificación y las deformaciones elásticas.

Resultados de los Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica

Los resultados de las pruebas mostraron mucha promesa para esta tecnología. Específicamente, el equipo demostró un nuevo nivel de capacidades de personalización, incluyendo el control sobre la topografía de superficie, la geometría, el tamaño de contacto y la homogeneidad.

Descubrieron que la densidad de carga superficial de un par específico se puede aumentar cubriendo los electrodos con la perla más pequeña con el módulo de Young más alto. A partir de ahí, verificaron la longevidad hasta 10.000 ciclos.

El generador funcionó como se esperaba, produciendo energía limpia con una degradación mínima del rendimiento. Como tal, se considera que es una de las mejores opciones en la lucha contra el cambio climático.

Ventajas de los Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica

Hay varias ventajas que hacen que los Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica sean una opción inteligente. Por un lado, ofrecen una opción rentable y más verde que puede producir electricidad en el lugar. Este método más reciente de fabricación de TENG promete reducir los costos aún más.

Longevidad

Otra ventaja del nuevo diseño de TANG es la capacidad de restaurarlo a su estado original frotando un polvo específico en su superficie. Esta capacidad significa que los Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica pueden superar a sus competidores y ofrecer costos de mantenimiento más bajos en general.

Fabricación

El diseño admite la fabricación de TENG de bajo costo y sostenible sin el uso de disolventes. Este enfoque es más rápido y más limpio. Además, crea menos contaminación, y el producto final es personalizable. Los ingenieros incluso pueden crear monocapas, que luego se pueden incorporar en nuevos estilos de estructuras textiles.

Aplicaciones y Cronograma Reales de los Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica:

Los Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica podrían cambiar varios sectores. Por un lado, la capacidad de crear electrónica autoalimentada es un juego cambiadore. Reduce la dependencia de fuentes de energía tradicionales como las baterías y proporciona una alternativa más limpia que se puede crear para adaptarse a los factores de forma más pequeños. Según los ingenieros, las aplicaciones comerciales pueden surgir dentro de los próximos 3 a 5 años a medida que la tecnología madura.

Cosecha de Energía

Uno de los usos principales de esta tecnología es la cosecha de energía. Esta tecnología se podría integrar en hogares o dispositivos electrónicos, eliminando la necesidad de carga. Imagina que todos tus dispositivos electrónicos funcionen sin baterías, tomas de corriente o fuentes de alimentación externas. Este enfoque podría mejorar la adopción y dar paso a una nueva era de tecnología.

Los generadores de nanogeneración triboeléctrica se podrían aplicar como una superficie a otras soluciones de energía verde y mejorar los resultados. Por ejemplo, imagina un molino de viento que también genera electricidad debido a la electricidad estática entre las palas y el aire mientras gira. La misma tecnología también podría ayudar a producir energía a medida que el motor gira.

Ropa Inteligente

Ha habido mucho debate sobre el uso de esta tecnología para crear ropa inteligente. Piensa en un abrigo que se puede calentar desde la energía generada cuando lo usas. O imagina poder conectar tu teléfono inteligente al puerto de carga de tu zapato. Todo esto y más es posible mediante el uso de Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica.

Al hablar de ropa de uso diario, esto es un bono. Sin embargo, cuando se trata de exploración, la perspectiva de ropa inteligente autoenergizable es un beneficio enorme. Puede ayudar a garantizar la comodidad y prevenir lesiones innecesarias. Además, puede ayudar a garantizar que siempre haya medidas de seguridad adecuadas en su lugar.

VE

Los vehículos eléctricos podrían obtener un gran impulso en el rendimiento mediante la integración de estos dispositivos. Dado que los generadores triboeléctricos producen energía con cero emisiones en el lugar a través de la electricidad estática, ofrecen una alternativa más confiable y menos compleja a los cables de alimentación interminables que se encuentran en los vehículos de hoy en día. En el futuro, estas unidades no necesitarán energía de la batería central, ya que probablemente tendrán su propia fuente de alimentación integrada.

Investigadores de Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica

Investigadores del Departamento de Ingeniería Química de la Vrije Universiteit Brussel, la Universidad Técnica de Riga, el Instituto Real de Tecnología de Melbourne y el Instituto MESA+ de la Universidad de Twente, liderados por el Dr. Ignaas Jimidar de VUB, todos contribuyeron a dar vida al estudio.

Ahora, el equipo busca mejorar la eficiencia y la fabricación para permitir aplicaciones a gran escala. Su objetivo es continuar investigando sobre varios materiales y formas. A partir de ahí, quieren crear asociaciones estratégicas para integrar esta tecnología en productos del mundo real.

Empresa Innovadora a la Vanguardia

A medida que continúan los avances en electrónica autoalimentada y soluciones de energía alternativa, las empresas a la vanguardia de la transmisión de energía inalámbrica también están haciendo grandes avances. Mientras que los generadores de nanogeneración triboeléctrica ofrecen una prometedora avenida para la generación de energía sostenible, otras empresas están innovando en tecnologías de carga inalámbrica, empujando los límites de cómo capturamos y distribuimos la energía.

Hay una carrera para crear energía limpia y llevarla a las masas. Las empresas siguen invirtiendo en soluciones de energía verde y renovable que podrían ayudar a prevenir daños climáticos adicionales en el futuro.

La perspectiva de nuevas posibilidades para los generadores de nanogeneración triboeléctrica en la vida diaria abre la puerta a un futuro más brillante. Aquí hay una empresa que sigue creando nuevas y emocionantes formas de eliminar la dependencia de fuentes de energía tradicionales.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) entró en el mercado en 2012 como DvineWave Inc. La empresa tiene su sede en San Jose, California, y fue creada para proporcionar soluciones y infraestructura de carga inalámbrica al mercado. Hoy en día, se la reconoce como una de las principales innovadoras en el sector de la energía verde.

Energous Corporation tiene varios productos que le han permitido ganar reconocimiento en el mercado. Su tecnología de carga inalámbrica WattUp es la opción más popular, ofreciendo una carga confiable. La empresa también proporciona tecnología de red de energía inalámbrica (WPNT), como controles de software, diseños de hardware, antenas y chipsets de semiconductor.

Notablemente, Energous posee más de 200 patentes en la industria de la tecnología inalámbrica. Además, fue la primera empresa en obtener la certificación de la FCC Parte 18 para la carga inalámbrica a distancia. Todos estos factores, combinados con el historial comprobado de Energous, hacen que WATT sea una acción inteligente para investigar más a fondo.

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Generadores de Nanogeneración Triboeléctrica – Nunca más compre baterías

La perspectiva de generar energía a través de la electricidad estática avanzada es algo que tiene a analistas e ingenieros emocionados. La introducción de tecnología de vanguardia como dispositivos portátiles autoalimentados está segura de proporcionar más capacidades de monitoreo y comunicación al mundo. Como tal, estos ingenieros merecen elogios por sus esfuerzos.

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Estudios citados:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granular interfaces in TENGs: The of close‐packed polymer bead monolayers for energy harvesters. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}