211service.com
Udnyttelse af Hamster Power med en nanogenerator
Sollys, vind og bølger er ikke de eneste kilder til vedvarende energi. For forskere, der håber at kunne drive nanoskala-enheder, er der også muskelkraft.
Muskelkraft: Denne hamster er iført en jakke fastgjort til en nanogenerator, der høster biomekanisk energi, mens den kører på et træningshjul.
Hvert hjerteslag og enhver nervøs bevægelse, som en person foretager, mens han sidder ved en computer, bærer en lille mængde energi med sig, som potentielt kan blive fjernet. Men det er udfordrende at høste denne biomotion, fordi så meget af den er uregelmæssig. Nu, for første gang, har forskere påvist, at en nanogenerator kan drives af uregelmæssig, lavenergi biobevægelse, herunder bankning af en menneskefinger og en hamsters uberegnelige løb og ridser.
Forskernes nanogenerator udnytter den piezoelektriske effekt - den måde nogle krystallinske materialer producerer et elektrisk potentiale på, når de udsættes for mekanisk belastning. Holdet, ledet af Zhong Lin Wang , en professor i materialevidenskab og teknik ved Georgia Tech, har lavet generatorer ved hjælp af piezoelektriske nanotråde siden 2005. Den seneste nanogenerator består af en række zinkoxid-nanotråde monteret oven på en fleksibel plastoverflade. Ledningerne er forbundet med hinanden og til et eksternt elektrisk kredsløb med metalelektroder. Når plastikken bøjes, bøjes ledningerne også, og denne bevægelse skaber et elektrisk potentiale i ledningerne, der driver strøm gennem det eksterne kredsløb.
I et papir offentliggjort online i denne uge i tidsskriftet Nano bogstaver , Wangs gruppe beskriver brugen af nanogeneratoren til at høste forskellige slags biomekanisk energi. Forskerne fastgjorde nanogeneratoren til en persons pegefinger og registrerede effekten, når den bankede på en overflade. De høstede også energi fra en hamster iført en lille jakke, der var fastgjort til enheden, da gnaveren løb på et træningshjul og kløede sig.
Andre forskere har udviklet piezoelektriske cantilevers, der også kan høste biomekanisk energi, men disse systemer er afhængige af regelmæssig mekanisk resonans ved en bestemt frekvens. De fleste biobevægelser – at strække muskler, svinge arme, gå, endda hjerteslag – producerer mekanisk energi, der er mere uregelmæssig. Wang siger, at hans gruppe har lavet den første generator, der virkelig kan høste små, uregelmæssige bevægelser.
Den energi, der genereres af enheden, er i øjeblikket lille (ca. en nanowatt), men Wang siger, at dette stadig er et vigtigt skridt på vejen til at udvikle nyttige strømkilder til enheder i nanoskala. Udsøgt følsomme nanoskalasensorer kræver meget lidt strøm - omkring en mikrowatt - for at gøre ting som at opdage patogener eller kræftproteiner. Men noget af det, der holder deres udvikling tilbage, er størrelsen og levetiden af eksisterende strømforsyninger. Implanterbare nanosensorer har brug for en strømkilde, der er både i nanostørrelse og langtidsholdbar, hvilket eliminerer behovet for at blive fjernet og erstattet kirurgisk.
Wangs gruppe har endnu ikke lavet en implanterbar version af nanogeneratoren, men Wang siger, at det i teorien burde være muligt. Nanogeneratorerne kan for eksempel være indkapslet i biokompatible polymerer og implanteret i muskelvæv.
Forskerne arbejder på at øge enhedens kraft ved at tilføje flere piezoelektriske ledninger arrangeret i serie. Ud over at drive enheder i nanoskala, kunne de piezoelektriske generatorer måske kobles til større enheder. I løbet af de næste fem til ti år håber Wang at øge generatorens effekt markant, så den kan væves ind i stoffet i en jakke i menneskestørrelse og høste nok energi til at oplade batterier til bærbare elektroniske enheder.