TENG indossabile e durevole stampato con un processo a basso costo

I nanogeneratori triboelettrici multistrato (TENG) sono comunemente usati per migliorare i parametri di prestazione dei dispositivi elettronici. Tuttavia, i TENG multistrato con un’elevata distribuzione della carica volumetrica devono essere robusti e flessibili per un’efficace produzione di massa. Di conseguenza, un’adeguata selezione dei materiali è fondamentale per l’industrializzazione dei TENG multistrato.

TENG indossabile e durevole stampato con un processo a basso costo

Studio: Nanogeneratore triboelettrico indossabile interamente stampato con polimeri ad accumulo di elettroni ultracaricati a base di MXene Nanoflakes. Credito immagine: fotografo di tana 1985/Shutterstock.com

Un recente studio pubblicato sulla rivista Advanced Electronic Materials si concentra su questo problema presentando un TENG interamente stampato, durevole e indossabile con polimeri di accumulo di elettroni (EAP) ultra-caricati basati su nanoflakes MXene. Il TENG preparato con EAP può azionare efficacemente diversi dispositivi elettronici compatti e di misurazione del pH con un sensore di pH.

TENG multistrato: panoramica e significato

I nanogeneratori triboelettrici indossabili (TENG) stanno diventando sempre più popolari come estrattori di energia elettromeccanici per dispositivi elettronici di prossima generazione. Diversi istituti di ricerca si stanno impegnando attivamente per stabilire un processo di produzione efficiente per la produzione di TENG leggeri ed economici con un’elevata capacità energetica utilizzando diversi rivestimenti nanocompositi e modifiche ai materiali.

Secondo una ricerca precedente sulla relazione tra la potenza di uscita del TENG e le cariche elettroniche trasferibili, un’infusione di carica sintetica, come il rilascio corona, aumenta la concentrazione del vettore sulla superficie e la potenza in uscita dei TENG.

Tuttavia, soddisfare molte caratteristiche, come una forte attrazione di elettroni, un’elevata costante dielettrica e un’ampia superficie con una singola sostanza o strato, è piuttosto difficile. Di conseguenza, è stato recentemente proposto un TENG multistrato per risolvere questo problema critico.

Progettazione di TENG indossabili sostenibili basati su EAP. a) Immagine schematica della composizione strato per strato (lato sinistro) di TENG basata su EAP con meccanismo di accumulo di carica (lato destro). b) Procedura di fabbricazione di TENG basato su EAP con parti inferiore e superiore. c) Immagine SEM in sezione trasversale di TENG con lo spessore totale di ≈70 µm. d) Immagini in sezione trasversale di PTFE-THV (lato superiore sinistro), SWCNT:COOH-THV (lato superiore destro), MXene-THV (lato inferiore sinistro) e Ag-SEBS (lato inferiore destro). e) Fotografia di TENG basati su EAP piegati. © Kim, KN et al. (2022)

Sfide di fabbricazione associate ai TENG multistrato

I materiali convenzionali per il trasporto di elettroni come i nanotubi di carbonio (CNT) e i composti di intrappolamento come l’ossido di grafene non sono sufficienti per l’elevata distribuzione della carica volumetrica dei TENG. Inoltre, diverse ricerche sui TENG multistrato hanno rivelato che la loro elevata rigidità li rende inadatti all’elettronica indossabile.

Inoltre, i TENG devono essere resistenti all’umidità e alla distorsione per fornire energia costantemente e far funzionare efficacemente l’elettronica indossabile commerciale.

Sebbene la ricerca precedente abbia utilizzato l’incapsulamento e le modifiche dell’interfaccia per alleviare queste sfide, queste tecniche sono ancora complesse e la produzione in serie di questi sistemi è problematica.

Se venissero esplorate diverse soluzioni per limitare l’esposizione all’aria, come strutture multistrato e agenti intrappolanti di elettroni isolati da ossido nativo, si potrebbe facilmente produrre un TENG altamente sostenibile ea basso costo in grado di funzionare in circostanze climatiche estreme.

MXene: il futuro della fabbricazione TENG multistrato

MXene è un materiale inorganico bidimensionale composto da strati sottili di carburi, nitruri o carbonitruri di metalli di transizione. MXene, che è stato segnalato per la prima volta nel 2011, combina la conduttanza metallica dei carburi di metalli di transizione con la caratteristica idrofila delle superfici terminate con ossidrile o ossigeno.

MXene ha recentemente attirato molto interesse per le applicazioni TENG a causa delle sue elevate capacità di attrazione degli elettroni. MXene è stato impiegato come sostanza tribo-negativa in diversi studi per aumentare gli elettroni trasmessi.

Per creare un TENG efficace basato sullo strato di cattura di MXene, è necessario aumentare la concentrazione del vettore di volume degli strati tribo-negativi utilizzando le capacità di intrappolamento degli elettroni di MXene e progettando lo strato di trasferimento degli elettroni per incanalare in modo efficiente gli elettroni verso la massa interna. Il trattamento superficiale e la funzionalizzazione sono necessari anche per massimizzare il trasporto di elettroni attraverso un campo elettrico confinato all’interfaccia MXene.

Punti salienti e sviluppi chiave dello studio attuale

In questo studio, i ricercatori hanno sviluppato un TENG flessibile e robusto realizzato interamente con polimeri stampabili ad accumulo di elettroni (EAP) con capacità di immagazzinamento e distribuzione della carica volumetrica più elevate.

Gli EAP erano realizzati in 2D MXene con molte posizioni di intrappolamento degli elettroni, nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) con un’eccellente conduzione elettrica e politetrafluoroetilene (PTFE) con significative proprietà di attrazione e trasferimento di elettroni. Gli strati di TENG sono stati creati utilizzando una tecnologia di serigrafia a basso costo con inchiostri elastici specializzati.

Per mostrare l’applicazione nel mondo reale dei TENG basati su EAP, è stato costruito un dispositivo sensore di pH per misurare l’intervallo di pH del sudore umano. Questo dispositivo include un sensore di pH serigrafato molto sensibile e un display. Il sensore di pH riceve un segnale di tensione elettrica dai condensatori caricati dal TENG e lo invia a un microprocessore a scheda singola collegato al display a sette segmenti.

Il microprocessore prende l’input dal sensore di pH, lo trasforma in segnali digitali e attiva i segmenti del display attraverso la codifica delle istruzioni. Quando il sudore sintetico di pH tre viene messo sopra il sensore di pH, lo schermo mostra il numero “3”, mentre pH 7 visualizza il numero “7”.

È importante sottolineare che questi risultati indicano che questo approccio unico agli estrattori di energia potenziati e ai rilevatori portatili, come il sensore di pH creato in questa ricerca, può portare allo sviluppo di applicazioni di rete di sensori intelligenti.

Riferimento

Kim, KN et al. (2022). Nanogeneratore triboelettrico indossabile interamente stampato con polimeri ad accumulo di elettroni ultracaricati a base di nanoflakes MXene. Materiali elettronici avanzati. Disponibile su: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202200819

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