Unidades de potencia autocargables portátiles con nanotecnología
La autonomía es una característica muy esperada de los microsistemas de próxima generación, como los sensores remotos, los aparatos electrónicos portátiles, los biosensores implantables y los nanorobots. Los investigadores de KAUST, dirigidos por Husam Alshareef, Jr-Hau He y Khaled Salama, han desarrollado pequeños dispositivos independientes mediante la integración de unidades de potencia libres de mantenimiento que producen y utilizan su propio combustible en lugar de depender de una fuente de energía externa (Nano Energy, «Microsupercapacitores electroquímicos MXene integrados con nanogeneradores triboeléctricos como unidad de potencia autocargable» y Advanced Materials, «Fotodetector perovskita de halogenuros organometálicos autoalimentado y flexible de muy alta detectividad»).
Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) capturan la energía mecánica de su entorno, como las vibraciones y los movimientos aleatorios producidos por los seres humanos, y la convierten en electricidad. En estos minúsculos generadores, el contacto friccional entre materiales de diferente polaridad crea superficies cargadas opuestas. La fricción repetida hace que los electrones salten entre estas superficies, resultando en voltaje eléctrico.
«Aprovechamos este efecto triboeléctrico para cosechar energía de movimientos simples, como aplausos, golpecitos con los dedos y movimientos rutinarios de las manos, para accionar diferentes tipos de sensores», dice Alshareef.
Los investigadores han desarrollado un fotodetector autoamplificado acoplando el polímero a base de silicona polidimetilsiloxano (PDMS) como TENG con un material llamado perovskita de halogenuros organometálicos. El material a base de haluros de plomo presenta propiedades optoelectrónicas que son deseables en las células solares y los diodos emisores de luz.
Para agilizar su diseño y eliminar la necesidad de un actuador de movimiento, su equipo fabricó el fotodetector utilizando dos láminas multicapa a base de polímero separadas por un pequeño espacio. Una hoja comprendía la película ultrafina perovskita mientras que la otra contenía una capa de PDMS. El hueco permitió al equipo aprovechar el efecto triboeléctrico cuando el dispositivo se activó al golpear con los dedos.
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«El dispositivo autoalimentado mostró una excelente capacidad de respuesta a la luz incidente, especialmente cuando se expone a luz de baja intensidad», dice Mark Leung, autor principal del estudio del fotodetector. Debido a sus componentes de polímero flexibles y transparentes, también mantuvo su rendimiento después de haber sido doblado 1.000 veces e independientemente de la orientación de la luz incidente.
Más allá de los límites, los investigadores diseñaron un brazalete autoamortiguable que puede almacenar la energía mecánica convertida mediante la combinación de un nanogenerador de silicona incrustado en fibra de carbono con microcondensadores MXene.
Incorporaron nanogeneradores y condensadores electroquímicos miniaturizados en un solo dispositivo monolítico encapsulado en caucho de silicona. La carcasa estanca y elástica proporcionaba una pulsera flexible y suave que se adaptaba perfectamente al cuerpo. Las fluctuaciones en la separación piel-silicona alteraron el equilibrio de carga entre los electrodos, causando que los electrones fluyeran de un lado a otro a través del TENG y que el microcondensador se cargara.
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Además de tener un ciclo de vida más largo y un tiempo de carga más corto, los microcondensadores MXene pueden acumular más energía en un área determinada que las baterías de película delgada y las microbaterías, ofreciendo unidades de almacenamiento de energía a pequeña escala más rápidas y efectivas para la electricidad generada por TENG. Cuando está activo, el brazalete puede utilizar la energía almacenada para hacer funcionar varios dispositivos electrónicos, como relojes y termómetros.
Nuestro objetivo final es desarrollar una plataforma de sensores autoamplificados para el monitoreo personalizado de la salud», dice la estudiante de doctorado Qiu Jiang, autora principal del proyecto de banda autocargable. El equipo está planeando introducir sensores en el sistema para detectar biomarcadores en el sudor humano.
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