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Sfruttare la potenza del criceto con un nanogeneratore
La luce del sole, il vento e le onde non sono le uniche fonti di energia rinnovabile. Per i ricercatori che sperano di alimentare dispositivi su scala nanometrica, c'è anche la potenza muscolare.
Forza muscolare: Questo criceto indossa una giacca fissata a un nanogeneratore che raccoglie energia biomeccanica mentre scorre su una ruota per esercizi.
Ogni battito cardiaco e ogni movimento irrequieto che una persona fa mentre è seduta al computer porta con sé una piccola quantità di energia che potrebbe essere potenzialmente recuperata. Tuttavia, raccogliere questo biomovimento è impegnativo perché gran parte di esso è irregolare. Ora, per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato che un nanogeneratore può essere guidato da un biomovimento irregolare a bassa energia, compreso il tocco di un dito umano e la corsa e il graffio irregolari di un criceto.
Il nanogeneratore dei ricercatori sfrutta l'effetto piezoelettrico, il modo in cui alcuni materiali cristallini producono un potenziale elettrico quando sottoposti a stress meccanico. La squadra, guidata da Zhong Lin Wang , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Georgia Tech, produce generatori utilizzando nanofili piezoelettrici dal 2005. L'ultimo nanogeneratore è costituito da una serie di nanofili di ossido di zinco montati su una superficie di plastica flessibile. I fili sono collegati tra loro e ad un circuito elettrico esterno mediante elettrodi metallici. Quando la plastica si piega, anche i fili si piegano e questo movimento crea un potenziale elettrico nei fili che guida la corrente attraverso il circuito esterno.
In un articolo pubblicato online questa settimana sulla rivista Nano lettere , Il gruppo di Wang descrive l'uso del nanogeneratore per raccogliere diversi tipi di energia biomeccanica. I ricercatori hanno collegato il nanogeneratore al dito indice di una persona e hanno registrato la potenza erogata quando ha toccato una superficie. Hanno anche raccolto energia da un criceto che indossava una piccola giacca fissata al dispositivo mentre il roditore correva su una ruota per esercizi e si grattava.
Altri ricercatori hanno sviluppato cantilever piezoelettrici che possono anche raccogliere energia biomeccanica, ma questi sistemi si basano su una risonanza meccanica regolare a una frequenza specifica. La maggior parte dei biomovimenti (allungamento dei muscoli, oscillazione delle braccia, camminata, persino il battito del cuore) produce energia meccanica più irregolare. Wang afferma che il suo gruppo ha realizzato il primo generatore in grado di raccogliere veramente piccoli movimenti irregolari.
L'energia generata dal dispositivo è attualmente piccola (circa un nanowatt), ma Wang afferma che questo è ancora un passo importante lungo la strada per lo sviluppo di fonti di energia utili per dispositivi su scala nanometrica. I sensori su scala nanometrica squisitamente sensibili richiedono pochissima energia, circa un microwatt, per fare cose come rilevare agenti patogeni o proteine del cancro. Ma parte di ciò che frena il loro sviluppo è la dimensione e la durata degli alimentatori esistenti. I nanosensori impiantabili necessitano di una fonte di alimentazione che sia sia nanodimensionata che di lunga durata, eliminando la necessità di rimuoverla e sostituirla chirurgicamente.
Il gruppo di Wang non ha ancora realizzato una versione impiantabile del nanogeneratore, ma Wang afferma che, in teoria, dovrebbe essere possibile. I nanogeneratori potrebbero, ad esempio, essere racchiusi in polimeri biocompatibili e impiantati nel tessuto muscolare.
I ricercatori stanno lavorando per aumentare la potenza del dispositivo aggiungendo più fili piezoelettrici disposti in serie. Oltre ad alimentare dispositivi su scala nanometrica, i generatori piezoelettrici potrebbero forse essere accoppiati a dispositivi più grandi. Nei prossimi cinque-dieci anni, Wang spera di aumentare significativamente la potenza del generatore in modo che possa essere tessuto nel tessuto di una giacca a misura d'uomo e raccogliere energia sufficiente per caricare le batterie per i dispositivi elettronici portatili.