Σε έναν κόσμο που διψάει για καθαρή ενέργεια, οι μηχανικοί δημιούργησαν ένα νέο υλικό που μετατρέπει τις μηχανικές δονήσεις σε ηλεκτρισμό, αξιοποιήσιμο για την τροφοδοσία αισθητήρων, από βηματοδότες μέχρι και αισθητήρες σε διαστημόπλοια.
Πρώτο στο είδος του και αποτέλεσμα δεκαετής μελέτης από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Waterloo και του Πανεπιστημίου του Τορόντο, το νέο πιεζοηλεκτρικό σύστημα είναι συμπαγές, αξιόπιστο, χαμηλού κόστους και πολύ, πολύ πράσινο.
“Το επίτευγμά μας θα έχει σημαντικό κοινωνικό και οικονομικό αντίκτυπο μειώνοντας την εξάρτησή μας από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας”, δήλωσε ο Asif Khan, ερευνητής του Waterloo και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης για το έργο. “Χρειαζόμαστε αυτά τα υλικά που παράγουν ενέργεια πιο κρίσιμα αυτή τη στιγμή από οποιαδήποτε άλλη στιγμή στην ιστορία”.
Το σύστημα που ανέπτυξαν ο Khan και οι συνάδελφοί του βασίζεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο παράγει ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζοντας πίεση – οι μηχανικές δονήσεις είναι ένα παράδειγμα – σε μια κατάλληλη ουσία.
Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1880, και έκτοτε, ένας περιορισμένος αριθμός πιεζοηλεκτρικών υλικών, όπως ο χαλαζίας και τα άλατα Rochelle, έχουν χρησιμοποιηθεί σε τεχνολογίες που κυμαίνονται από το σόναρ και την απεικόνιση με υπερήχους έως τις συσκευές μικροκυμάτων.
Το πρόβλημα είναι ότι μέχρι σήμερα, τα παραδοσιακά πιεζοηλεκτρικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε εμπορικές συσκευές είχαν περιορισμένη ικανότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιούν επίσης συχνά μόλυβδο, τον οποίο ο Khan περιγράφει ως “επιβλαβή για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία”.
Οι ερευνητές έλυσαν και τα δύο προβλήματα.
Ξεκίνησαν με την ανάπτυξη ενός μεγάλου μονοκρυστάλλου μιας μοριακής ένωσης μετάλλου-χαλκιδίου που ονομάζεται EDABCO χλωριούχος χαλκός χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Jahn-Teller, μια γνωστή έννοια της χημείας που σχετίζεται με την αυθόρμητη γεωμετρική παραμόρφωση ενός κρυσταλλικού πεδίου.
Ο Khan δήλωσε ότι αυτό το εξαιρετικά πιεζοηλεκτρικό υλικό χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για την κατασκευή νανογεννητριών “με πυκνότητα ισχύος ρεκόρ που μπορούν να συλλέγουν μικροσκοπικές μηχανικές δονήσεις σε οποιεσδήποτε δυναμικές συνθήκες, από την ανθρώπινη κίνηση μέχρι τα αυτοκίνητα“. Η διαδικασία παραγωγής τους δεν απαιτεί ούτε μόλυβδο ούτε μη ανανεώσιμη ενέργεια.
Η νανογεννήτρια είναι μικροσκοπική – 2,5 τετραγωνικά εκατοστά και έχει περίπου το πάχος μιας επαγγελματικής κάρτας – και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί βολικά σε αμέτρητες καταστάσεις. Έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτεί αισθητήρες σε ένα τεράστιο φάσμα ηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων δισεκατομμυρίων που απαιτούνται για το λεγόμενο Internet of Things — το αναπτυσσόμενο παγκόσμιο δίκτυο αντικειμένων που ενσωματώνουν αισθητήρες και λογισμικό που συνδέονται και ανταλλάσσουν δεδομένα με άλλες συσκευές.
Ο Δρ. Dayan Ban, ερευνητής στο Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας του Waterloo, δήλωσε ότι στο μέλλον, οι δονήσεις ενός αεροσκάφους θα μπορούσαν να τροφοδοτούν τα συστήματα αισθητηριακής παρακολούθησης ή ο καρδιακός παλμός ενός ατόμου θα μπορούσε να διατηρεί σε λειτουργία τον βηματοδότη του χωρίς μπαταρία.
“Το νέο μας υλικό έχει δείξει επιδόσεις που σπάνε ρεκόρ“, δήλωσε ο Ban, καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. “Αντιπροσωπεύει μια νέα πορεία προς τα εμπρός σε αυτόν τον τομέα”.
Παραπομπές:
Sasa Wang, Asif Abdullah Khan, Sam Teale, Jian Xu, Darshan H. Parmar, Ruyan Zhao, Luke Grater, Peter Serles, Yu Zou, Tobin Filleter, Dwight S. Seferos, Dayan Ban, Edward H. Sargent. Large piezoelectric response in a Jahn-Teller distorted molecular metal halide. Nature Communications, 2023; 14 (1) DOI: 10.1038/s41467-023-37471-3
