По словам исследователей из Университета Торонто и Университета Ватерлоо, материалы, полученные из древесины, можно использовать для получения электроэнергии от повседневных движений, таких как ходьба.

В новом исследовании, недавно опубликованном в Nano Energy, команда продемонстрировала использование лигноцеллюлозных нанофибрилл, полученных из коры дерева, в прототипе устройства с автономным питанием, способного отправлять беспроводной сигнал на смартфон через Bluetooth.

Такие устройства можно использовать для отслеживания биометрических данных, таких как частота сердечных сокращений, уровень кислорода или проводимость кожи. Инновация может повысить производительность этих устройств, снизив при этом их воздействие на окружающую среду.

«Биосенсоры распространены в носимой электронике, но сегодня они питаются от батарей», — говорит Нин Ян, профессор кафедры химического машиностроения и прикладной химии факультета прикладных наук и инженерии и соавтор исследования.

«Это делает их громоздкими, неудобными и дорогостоящими. Датчики без батарей могут быть тоньше, меньше и дешевле. Вам больше никогда не придется беспокоиться о том, что вы забудете зарядить батарею. ваши естественные движения», — добавила она.

В основе инновации лежит триобоэлектрический эффект, разновидность статического электричества. Поскольку некоторые материалы притягивают электроны больше, чем другие, повторное приведение в контакт двух разных материалов, а затем их разделение может вызвать накопление электрического заряда между ними.

В большинстве современных конструкций используются синтетические материалы , такие как политетрафторэтилен (PTFE), также известный под торговой маркой Teflon. Однако этот материал сохраняется в течение длительного периода времени в окружающей среде, и высказываются опасения по поводу его потенциального воздействия на здоровье.

Ян и ее команда хотели посмотреть, можно ли создать натуральный, биоразлагаемый заменитель.

«Были эксперименты с использованием природных материалов , таких как целлюлоза, в этих типах трибоэлектрических генераторов», — говорит Ян. «Но большинство команд использовали целлюлозу только в слое, который теряет электроны, который мы называем трибопозитивным слоем. Мы хотели разработать естественный заменитель другой стороны, трибонегативного слоя».

Новый материал состоит из нанофибрилл, крошечных нитей растительного материала, которые в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса. Там, где другие команды использовали нанофибриллы из целлюлозы — основного растительного полимера в бумаге и картоне, — Ян и ее команда также включили другой природный полимер, известный как лигнин.

«Лигнин — это сложная разветвленная молекула», — говорит Николя Танги, соавтор новой статьи, который проводил исследование в качестве постдока в лаборатории Яна (сейчас он работает в Национальном автономном университете Мексики).

«Во многих целлюлозно-бумажных изделиях лигнин является примесью, которую необходимо удалить. Но в этом случае мы обнаружили, что оставление около 30 процентов лигнина в нанофибриллах фактически улучшило их характеристики в качестве трибонегативных материалов».

Команда U of T Engineering отправила лигноцеллюлозные нанофибриллы профессору Даяну Бану и его команде на кафедру электротехники и вычислительной техники Университета Ватерлоо. Они включили этот материал в прототип трибоэлектрического наногенератора.

«Нашей ключевой задачей было найти высокоэффективный способ преобразования механической энергии в электрическую, а затем сохранить достаточное количество этой энергии для питания системы, — говорит Бан, защитивший докторскую диссертацию в Университете штата Техас. также ограничивает воздействие многофункциональной системы на окружающую среду».

Это устройство было способно генерировать на 160 процентов больше напряжения и на 140 процентов больше тока по сравнению с аналогичным устройством, в котором в качестве трибоотрицательного слоя использовался ПТФЭ.

Просто постукивая устройством по акриловой пластине во время тестирования, прототип мог генерировать достаточную мощность, чтобы каждые три минуты посылать радиочастотный сигнал, который улавливался находящимся поблизости смартфоном.

Теоретически такое устройство можно было бы вставить в подошву обуви, чтобы пользователь мог вырабатывать электричество во время ходьбы или бега. Устройство может быть использовано для питания биосенсора или любого другого устройства, которое отправляет данные по беспроводной сети.

«Этот материал не только работает лучше, чем ПТФЭ, но также является биоразлагаемым», — говорит Ян. «Это сделало бы его очень полезным в одноразовых биосенсорах. Отказываясь как от батареи, так и от ПТФЭ, мы значительно снижаем воздействие на окружающую среду».