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Exploiter la puissance du hamster avec un nanogénérateur
La lumière du soleil, le vent et les vagues ne sont pas les seules sources d'énergie renouvelable. Pour les chercheurs qui espèrent alimenter des appareils à l'échelle nanométrique, il y a aussi la puissance musculaire.
Puissance musculaire : Ce hamster porte une veste fixée à un nanogénérateur qui récupère l'énergie biomécanique lorsqu'il court sur une roue d'exercice.
Chaque battement de cœur et chaque mouvement agité qu'une personne fait lorsqu'elle est assise devant un ordinateur emporte avec elle une petite quantité d'énergie qui pourrait potentiellement être récupérée. Cependant, la récolte de cette biomotion est difficile car une grande partie est irrégulière. Aujourd'hui, pour la première fois, des chercheurs ont démontré qu'un nanogénérateur peut être entraîné par un biomouvement irrégulier et à faible énergie, y compris le tapotement d'un doigt humain et la course et le grattage erratiques d'un hamster.
Le nanogénérateur des chercheurs exploite l'effet piézoélectrique, la façon dont certains matériaux cristallins produisent un potentiel électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique. L'équipe, dirigée par Zhong Lin Wang , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Georgia Tech, fabrique des générateurs utilisant des nanofils piézoélectriques depuis 2005. Le dernier nanogénérateur consiste en une série de nanofils d'oxyde de zinc montés sur une surface en plastique flexible. Les fils sont reliés entre eux et à un circuit électrique externe par des électrodes métalliques. Lorsque le plastique se plie, les fils se plient également et ce mouvement crée un potentiel électrique dans les fils qui entraîne le courant dans le circuit externe.
Dans un article publié en ligne cette semaine dans la revue Lettres nano , le groupe de Wang décrit l'utilisation du nanogénérateur pour récolter différents types d'énergie biomécanique. Les chercheurs ont attaché le nanogénérateur à l'index d'une personne et ont enregistré la puissance de sortie lorsqu'elle a tapé sur une surface. Ils ont également récupéré l'énergie d'un hamster portant une petite veste fixée à l'appareil alors que le rongeur courait sur une roue d'exercice et se grattait.
D'autres chercheurs ont développé des cantilevers piézoélectriques qui peuvent également récolter de l'énergie biomécanique, mais ces systèmes reposent sur une résonance mécanique régulière à une fréquence spécifique. La plupart des biomotions – étirer les muscles, balancer les bras, marcher, même les battements d'un cœur – produisent une énergie mécanique plus irrégulière. Wang dit que son groupe a fabriqué le premier générateur qui peut vraiment récolter de petits mouvements irréguliers.
L'énergie générée par l'appareil est actuellement faible (environ un nanowatt), mais Wang dit qu'il s'agit toujours d'une étape importante sur la voie du développement de sources d'énergie utiles pour les appareils à l'échelle nanométrique. Les capteurs nanométriques extrêmement sensibles nécessitent très peu d'énergie (environ un microwatt) pour faire des choses comme détecter des agents pathogènes ou des protéines cancéreuses. Mais une partie de ce qui freine leur développement est la taille et la durée de vie des alimentations existantes. Les nanocapteurs implantables ont besoin d'une source d'alimentation à la fois nanométrique et durable, éliminant ainsi le besoin de les retirer et de les remplacer chirurgicalement.
Le groupe de Wang n'a pas encore fabriqué de version implantable du nanogénérateur, mais Wang dit qu'en théorie, cela devrait être possible. Les nanogénérateurs pourraient, par exemple, être enfermés dans des polymères biocompatibles et implantés dans le tissu musculaire.
Les chercheurs travaillent à augmenter la puissance de l'appareil en ajoutant plus de fils piézoélectriques disposés en série. En plus d'alimenter des appareils à l'échelle nanométrique, les générateurs piézoélectriques pourraient peut-être être couplés à des appareils plus gros. Au cours des cinq à dix prochaines années, Wang espère augmenter considérablement la puissance de sortie du générateur afin qu'il puisse être tissé dans le tissu d'une veste à taille humaine et récolter suffisamment d'énergie pour charger les batteries des appareils électroniques portables.