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Un ibrido nano-raccoglitore di energia
I generatori su nanoscala possono trasformare l'energia meccanica ambientale – vibrazioni, flusso di fluidi e persino movimento biologico – in una fonte di energia. Ora i ricercatori hanno combinato un nanogeneratore con una cella solare per creare un dispositivo integrato per la raccolta di energia meccanica e solare. Questo generatore ibrido è il primo del suo genere e potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per alimentare i sensori degli aerei catturando la luce solare e le vibrazioni del motore.
Nano ibrido: Una cella solare sensibile al colorante (in alto) e un nanogeneratore (in basso) si trovano sullo stesso substrato nel nuovo dispositivo.
I nanogeneratori in genere utilizzano nanofili piezoelettrici, strutture di ossido di zinco simili a capelli che generano un potenziale elettrico quando sollecitati meccanicamente, per produrre piccole quantità di energia. I primi dispositivi di questo tipo sono stati realizzati da Zhong Lin Wang , professore alla Georgia Tech e direttore del Centro per la caratterizzazione delle nanostrutture dell'istituto. Wang spera che un giorno i nanogeneratori elimineranno la necessità di batterie nei sensori medici impiantabili e alla fine genereranno energia sufficiente per caricare dispositivi elettronici personali più grandi.
Rispetto alle celle solari, i nanogeneratori sono ancora un modo relativamente inefficiente di raccogliere energia, afferma Wang, ma a volte l'energia solare non è disponibile. Quindi ha collaborato con Xudong Wang , un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison, per realizzare il nuovo dispositivo ibrido.
Combina due tecnologie sviluppate in precedenza, entrambe basate su nanofili di ossido di zinco, in un substrato di silicio a strati. Lo strato superiore è costituito da una cella solare a film sottile incorporata con nanofili di ossido di zinco rivestiti di colorante. L'ampia superficie dei nanofili aumenta l'assorbimento della luce del dispositivo, un design basato sul lavoro di Peidong Yang , professore di chimica all'Università della California, Berkeley. Lo strato inferiore contiene il nanogeneratore di Wang. Sul lato inferiore del silicio c'è una serie frastagliata di nanofili di ossido di zinco rivestiti di polimero in una disposizione simile a un dente. Quando il dispositivo è esposto a vibrazioni, questi denti raschiano contro una matrice sottostante di nanofili di ossido di zinco allineati verticalmente, creando un potenziale elettrico.
La cella solare e il nanogeneratore sono collegati elettricamente dal substrato di silicio stesso, che funge sia da anodo della cella solare che da catodo del nanogeneratore. È possibile mettere insieme grandi gruppi di celle solari e nanogeneratori, ma averli integrati in un unico sistema occupa meno spazio ed è anche più efficiente dal punto di vista energetico. Il prototipo del dispositivo può generare 0,6 volt di energia solare e 10 millivolt di energia piezoelettrica. Sebbene il dispositivo prototipo avesse un solo nanogeneratore, Wang prevede di aumentare la potenza generata creando dispositivi con più strati di nanogeneratori. Dice che una probabile prima applicazione di questi dispositivi potrebbe essere in aerei militari carichi di sensori. L'aeronautica statunitense ha recentemente pubblicato un invito a presentare proposte di finanziamento della ricerca relative a dispositivi ibridi di recupero dell'energia.
Carlo caro , professore di chimica all'Università di Harvard, afferma che il dispositivo di Wang è creativo ed è, a sua conoscenza, il primo dispositivo ibrido su nanoscala in grado di raccogliere due tipi di energia. Ciò è particolarmente importante, dato che uno è attivo alla luce, mentre l'altro può funzionare al buio, afferma Lieber. Si aspetta che il lavoro di Wang ispiri altri ricercatori a concentrarsi su dispositivi con nanogeneratori ibridi, nonché su dispositivi che combinano nanogeneratori con accumulo di energia complementare abilitato per nano.