Suurta energian keruuta pienestä liikkeestä

Melbournen yliopiston tutkimuksessa selvitettiin kuinka saada aikaan optimaalista energiantuotantoa materiaalin erittäin pienten kuitukerrosten välillä.

Jokainen näistä pienistä kuiduista on noin sata kertaa ohuempi kuin ihmisen hiukset. Ne koostuvat polymeereistä, jotka ovat samojen yksiköiden toistuvia ketjuja. Tässä tapauksessa käytimme polymeerejä eteeni-vinyyliasetaattia – joka muun muassa antaa juoksukengille ”joustavuutta” – ja polymaitohappoa – joka sattuu olemaan peräisin samasta haposta, joka aiheuttaa lihaskramppeja harjoituksen jälkeen.

Vuorottelimme kahta erityyppistä kuitua kerroksiksi hyvin erityisellä tavalla "laminaatteja" varten. Nämä laminaatit on valmistettu monista pinotuista mikroskooppisista kerroksista, ja jokainen laminaattilappu koostuu kymmenistä tuhansista kuiduista.

Missä tahansa kuitukerrosten ympärillä tapahtuu liikettä, sähköä syntyy kunkin kerroksen välisestä kitkasta. Muutimme näiden kuitukerrosten kokoa, rakennetta ja järjestimme ne hyvin erityisillä tavoilla optimoidaksemme kitkan ja kosketussähköistyksen ja tuottaaksemme lopulta suurimman varauksen.

Tutkimuksemme selvisi, että näin voimme tuottaa liikkeestä noin 400 kertaa enemmän sähköä kuin aiemmin näistä materiaaleista oli mahdollista. Koska voimme aina ottaa käyttöön enemmän rajapintoja käyttämällä ohuempia kuituja, tämäntyyppinen energiantuotanto on erittäin skaalautuvaa.

Tällä on jännittäviä potentiaalisia sovelluksia, joissa on paljon liikettä, mutta nyt se on vain hyvin pienessä mittakaavassa - esimerkiksi älykellon käyttäminen ihmisen liikkeellä tai implantoitavan laitteen, kuten sydämentahdistimen, lataaminen.

Tutkimus tehtiin yhteistyössä professori Andris Sutkan kanssa Riian teknillisessä yliopistossa Latviassa käyttäen prosessia nimeltä sähkökehräys polymeerikuitujen luomiseksi. Sähkökehräystyökalua säätämällä pystyimme säätämään, mitä polymeeriä kehräsimme ja sen paksuutta.

Yksi tutkimuksen haasteista oli polymeerikerrosten toistensa vuorovaikutuksen järjestäminen ja hallinta. On erittäin hankalaa hallita, miten kukin kuitu värähtelee suhteessa toiseen ja jos järjestys menee väärin, syntyvä sähkö kumoutuu.

Toinen haaste on, että polymeerit ovat erittäin pehmeitä ja voivat helposti muuttaa muotoaan. Joten kun yritämme katsoa materiaalien sisään arvioidaksemme rakennetta, ne voivat sulaa tai rikkoutua. Tämä tekee materiaalien karakterisoinnista vaikeaa ja näiden mikroskooppisesti pienten polymeerilaminaattien valmistusprosessi on hyvin hidas.

Aiheesta aiemmin

Puuperäistä käyttövoimaa langattomille antureille