Tópico: Nanogeradores

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Nanofio gera eletricidade explorando energia mecânica do ambiente


Nanofio gera eletricidade explorando energia mecânica do ambiente

Pesquisadores descobriram que um nanofio - um fio com poucos átomos de diâmetro - consegue gerar eletricidade a partir de energia mecânica. Esse nanogerador poderá viabilizar os NEMS, MEMS, as redes de sensores e todos os inúmeros dispositivos eletrônicos em nanoescala e microescala, para os quais mesmo as menores baterias disponíveis são grandes demais.

Nanofio piezoelétrico

O nanofio foi fabricado de um material piezoelétrico - o titanato de bário - o que o faz gerar energia sempre que ele sofre uma deformação mecânica. Um efeito largamente conhecido, mas que encerra dois avanços tecnológicos importantes. O primeiro é a técnica de microfabricação, que permitiu a sintetização de um nanofio na forma de um cristal individual de titanato de bário, medindo 280 nanômetros de diâmetro e 15 micrômetros de comprimento.

Mais importante, porém, foi a montagem e o controle preciso do nanofio, o que exigiu a construção de um aparato de acionamento mecânico e medição da tensão elétrica gerada sem precedentes.

Attojoules

O nanofio foi montado sobre duas plataformas, uma das quais é móvel, separadas entre si por uma distância de 3 micrômetros. O movimento da plataforma móvel é responsável por induzir as vibrações mecânicas no nanofio, o que pode ser feito com passos individuais de apenas 1 nanômetro.

"A energia elétrica produzida pelo nanofio para cada ciclo vibracional foi de 0,3 attojoules (10^-18 Joules)," conta Min-Feng Yu, coordenador da pesquisa.

Energia da natureza

A plataforma serve como teste de referência, já que bastam ondas sonoras ou vibrações na estrutura onde o nanofio está colocado para que ele comece a vibrar e gerar energia. É este o efeito que está atraindo a atenção dos pesquisadores e que torna o nanogerador tão interessante, capaz de alimentar circuitos em miniatura aproveitando, por exemplo, o vento ou a vibração dos carros que passam por uma ponte.

"Além disso, graças à fina precisão oferecida pela bancada de teste mecânico, poderá ser também possível comparar quantitativamente as propriedades intrínsecas do nanofio com o de materiais brutos," disse Yu. "Isto irá nos permitir estudar o efeito de escala relacionado com o acoplamento eletromecânico em sistemas em nanoescala."

Bibliografia: Voltage Generation from Individual BaTiO₃ Nanowires under Periodic Tensile Mechanical Load
Zhaoyu Wang, Jie Hu, Abhijit P. Suryavanshi, Kyungsuk Yum, Min-Feng Yu
Nano Letters
26-Sep-2007
Vol.: In print
DOI: 10.1021/nl070814e

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010115071003

[Suyndara]

Aparelho emite corrente elétrica direta a partir de vibrações ultra-sônicas

Cientistas do Instituto Tecnológico da Geórgia (EUA) criaram um gerador de dimensões nanométricas que pode servir como fonte de energia para uma série de máquinas no futuro.

 O aparelho utiliza ondas ultra-sônicas para produzir uma corrente direta na ordem de um nanoampère (a bilionésima parte de um ampère). Em um trabalho anterior, a equipe do chinês Zhong Lin Wang havia descoberto que nanofios de óxido de zinco criavam pequenas cargas elétricas quando eram  dobrados e soltos repetidamente. Agora, os pesquisadores exploraram esse fenômeno usando vibrações para fazer um eletrodo de platina cheio de ranhuras se mover verticalmente. Em contato com o eletrodo, os nanofios se dobram repetidamente, produzindo a corrente. Como diferentes conjuntos de fios se movem alternadamente, a corrente produzida é contínua. Os autores conseguiram manter o gerador funcionando ininterruptamente por mais de uma hora. O dispositivo pode ser usado para obter energia elétrica de sistemas que vibram naturalmente, como acontece com alguns relógios.

Os pesquisadores esperam conseguir controlar melhor a densidade dos fios, a fim de conseguir fazer milhões ou até bilhões deles produzirem corrente simultaneamente, otimizando a operação do gerador. “Se você tivesse um dispositivo como esse no seu sapato enquanto anda, você poderia gerar uma pequena corrente para alimentar pequenos aparelhos eletrônicos”, prevê Wang.

Mais detalhes em www.sciencemag.org

Tecnologia boa essa  Toda estratégia para produção de energia deve ser bem explorada 

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Energia na ponta dos dedos

Agência FAPESP – Hamsters ajudam a enfrentar a crise energética mundial? Apesar do exagero, esses pequenos roedores, ao carregar minúsculos geradores de eletricidade, estão participando no desenvolvimento de novas formas de energia renovável.

Com o uso da mesma aplicação nanotecnológica, um grupo de cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, conseguiu produzir eletricidade a partir do bater dos dedos. A idéia é fazer com que celulares e notebooks possam ser alimentados pelo próprio movimento de apertar as teclas.

“Por meio da nanotecnologia, demonstramos formas de converter até mesmo energia biomecânica irregular em eletricidade. Podemos converter qualquer perturbação mecânica em energia elétrica”, disse Zhong Lin Wang, coordenador do estudo e um dos principais especialistas no mundo em nanotecnologia.

A nova demonstração de conversão de energia biomecânica em eletricidade foi descrita no periódico Nano Letters. O estudo demonstra que nanogeradores – que vêm sendo desenvolvidos por Wang e equipe desde 2005 – podem ser alimentados por movimentos mecânicos irregulares, como a vibração de cordas vocais ou a oscilação de uma bandeira ao vento, além do bater dos dedos ou da corrida de um hamster.

Segundo os autores do estudo, obter energia de baixa frequência representa uma importante conquista, justamente por conta de a energia biomecânica ser variável, diferentemente dos movimentos regulares usados atualmente para a geração de eletricidade em larga escala.

A energia do nanogerador é produzida por meio do efeito piezoelétrico, um fenômeno de acordo com o qual certos materiais – como fios de óxido de zinco – produzem cargas elétricas quando são dobrados e depois relaxados. Os fios usados no estudo têm entre 100 e 800 nanômetros (bilionésimo de metro) em diâmetro e entre 100 e 500 micrômetros (milionésimo de metro) de largura.

Para construir os geradores, os cientistas encapsularam fios individuais de óxido de zinco em um polímero flexível. Os fios foram colocados com contatos elétricos em cada ponta e com uma barreira em um dos lados para controlar a corrente elétrica.

Em seguida, ligaram um dos geradores na junta de um dedo indicador e combinaram quatro em uma jaqueta que foi vestida por hamsters. A corrida do pequeno roedor e o movimento do dedo flexionaram o substrato no qual os nanofios foram encapsulados, produzindo minúsculas quantidades de uma corrente elétrica alternada.

Os quatro nanogeradores alimentados pelos movimentos do hamster produziram até 0,5 nanoampere e uma corrente menor resultou no único gerador no dedo.

Wang estima que para alimentar um aparelho eletrônico portátil, como um telefone celular, serão precisos milhares desses nanogeradores de fio único, que poderiam ser montados em módulos tridimensionais.

Mas o mais importante foi a demonstração do potencial da tecnologia. Segundo o professor do Instituto de Tecnologia da Geórgia, tais módulos poderiam, por exemplo, ser implantados no corpo humano para acumular energia do movimento de fontes como músculos ou vasos sanguíneos.

A eletricidade resultante seria usada em dispositivos nanométricos para medir a pressão sanguínea ou outros sinais vitais. “Esse estudo mostra que podemos realmente usar movimentos animais ou humanos para gerar corrente para alimentar nanogeradores”, disse Wang.

O artigo Converting biomechanical energy into electricity by a muscle-movement-driven nanogenerator, de Zhong Lin Wang e outros, pode ser lido por assinantes da Nano Letters em http://pubs.acs.org/journal/nalefd.

http://www.agencia.fapesp.br/materia/10203/divulgacao-cientifica/energia-na-ponta-dos-dedos.htm

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Nanogeradores agora são biocompatíveis e totalmente flexíveis


Além de ser "bioamigável", não contendo chumbo, o novo material piezoelétrico tem uma estrutura de película, ou filme fino, totalmente flexível.[Imagem: KAIST]

Piezoeletricidade

Os nanogeradores têm seguido um ritmo constante de desenvolvimentos e já se considera que eles estejam próximos das aplicações práticas.

Baseados na piezoeletricidade, os nanogeradores são promissores para alimentar equipamentos eletrônicos portáteis de baixo consumo, e também implantes médicos, que dispensariam as baterias.

A eletricidade é gerada quando nanofios de uma cerâmica conhecida como PZT são flexionados. O grande entrave ao uso do material é que o "P" da sigla é o símbolo químico do chumbo - e nanopartículas contendo chumbo implantadas no corpo humano não é algo que se imagine ser aprovado pelas autoridades de saúde.

Recentemente, uma equipe da Universidade de Stevens, nos Estados Unidos, achou uma forma de minimizar o problema, incorporando os nanofios em um polímero biocompatível - veja Nanogerador piezoelétrico alimenta sensores implantáveis.

Biocompatível e flexível

Mas a equipe do Prof. Keon Jae Lee, do Instituto KAIST, na Coreia do Sul, encontrou uma solução ainda melhor: eles demonstraram que é possível gerar energia usando nanofios de uma cerâmica que não contém chumbo.

E, talvez ainda mais importante do que ser "bioamigável", o novo material piezoelétrico tem uma estrutura de película, ou filme fino, totalmente flexível.

Os nanofios de PZT são quebradiços - como precisam ser flexionados para gerar eletricidade, sua vida útil acaba sendo muito pequena, o que não acontece com o novo material.

A cerâmica, que possui uma estrutura conhecida como perovskita, tem uma elevada eficiência piezoelétrica. Ela feita à base do composto titanato de bário.

Energia vibrante

A tecnologia dos nanogeradores, que nasceu de uma combinação da piezoeletricidade com a nanotecnologia, é, como seu nome indica, um sistema de geração de energia, e não de armazenamento, como as pilhas e baterias.

A energia mecânica para ficar dobrando e desdobrando o material está largamente presente na natureza, não apenas gerada pelas vibrações, vento e som, mas também pelas forças biomecânicas produzidas pelo corpo humano, como os batimentos cardíacos, o fluxo sanguíneo e o movimento dos músculos.

Ela poderá ser usada não apenas em equipamentos eletrônicos portáteis, mas também em biossensores implantáveis ou como fonte de energia para microrrobôs.

O trabalho foi feito em conjunto com a equipe do professor Zhong Lin Wang, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, onde os nanogeradores nasceram, que acrescentou: "Esta tecnologia pode ser usada para alimentar LEDs com uma pequena modificação nos circuitos, e para alimentar monitores sensíveis ao toque."

Bibliografia:
Piezoelectric BaTiO3 Thin Film Nanogenerator on Plastic Substrates
Kwi-Il Park, Sheng Xu, Ying Liu, Geon-Tae Hwang, Suk-Joong L. Kang, Zhong Lin Wang, Keon Jae Lee
Nano Letters
November 4, 2010
Vol.: ASAP Article
DOI: 10.1021/nl102959k

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=nanogeradores-biocompativeis-flexiveis&id=010115101112