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Nanogeneratoren: Die klügsten Dinge, die Sie noch nie gesehen haben

Nanogeneratoren: Die klügsten Dinge, die Sie noch nie gesehen haben

Unglaubliche Fortschritte in der Nanotechnologie, einschließlich biomedizinischer und tragbarer Elektronik, erfordern Innovationen bei geeigneten Stromquellen. Die Nanogenerator-Technologie schreitet voran, um diesen Bedarf zu decken.

Was sind Nanogeneratoren?

Das Wort Nano meint MilliardstelEin Nanometer ist also ein Milliardstel Meter. Dies ist die winzige Welt, in der Nanogeneratoren arbeiten und nur durch Hochleistungsmikroskope sichtbar sind. Die Stromerzeugung in dieser Größenordnung erfordert spezielle Methoden zur Energiegewinnung. Die drei Arten von Nanogeneratoren, die derzeit von Forschern auf der ganzen Welt entwickelt werden, sind piezoelektrisch, triboelektrisch und pyroelektrisch. Wie funktionieren diese winzigen Wunder?

Piezoelektrische Nanogeneratoren

[Bildquelle: Wikimedia]

Piezoelektrische Nanogeneratoren nutzen den piezoelektrischen Effekt zur Stromerzeugung. Aus dem griechischen Wort PiezeinBedeutung Drücken SieDer piezoelektrische Effekt beschreibt die Erzeugung eines elektrischen Feldes als Reaktion auf eine Verformung der Kristallstruktur des Materials. Dies geschieht aufgrund der Änderung der relativen Position polarisierter Moleküle innerhalb der Struktur. Verformungen können durch direkten Druck oder durch Vibration auftreten.

Triboelektrische Nanogeneratoren

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Der triboelektrische Effekt regelt den Betrieb triboelektrischer Nanogeneratoren. Von einem anderen griechischen Wort TriboBedeutung reibenDer triboelektrische Effekt ist das Phänomen, bei dem Elektronen durch Kontakt von einem Material auf ein anderes übertragen werden, wodurch ein Unterschied im elektrischen Potential zwischen den beiden Oberflächen entsteht.

Pyroelektrische Nanogeneratoren

Wie zu erwarten, nutzen pyroelektrische Nanogeneratoren - Sie haben es erraten - den pyroelektrischen Effekt. Dieser Effekt beschreibt die Erzeugung einer Spannung über ein Wärmedifferential. Die Spannungserzeugung erfolgt in bestimmten Materialien beim Erhitzen aufgrund kleiner Positionsänderungen polarisierter Atome innerhalb der Struktur.

Anatomie eines Nanogenerators

[Bildquelle: Wikimedia]

Die Auswahl der Materialien, aus denen ein Nanogenerator besteht, hängt von seiner Methode zur Energiesammlung ab. Eine führende Gruppe von Forschern in der Nanogeneratortechnologie arbeitet am Georgia Institute of Technology. Dieses Team unter der Leitung von Professor Zhong Lin Wang konzentriert seine Bemühungen auf piezoelektrische Nanogeneratoren unter Verwendung von Zinkoxid (ZnO) -Nanodrähten.

Ein anderes Forschungsteam hat einen anderen Ansatz zur Erzeugung von Piezoelektrizität im Nanomaßstab gewählt. Ihr bevorzugtes Material ist Bleizirkonat-Titanat (PZT). Dieses Material ist extrem spröde, jedoch eine problematische Eigenschaft für ein Material unter Belastung. Das Team hat einen einzigartigen Weg gefunden, um dies zu umgehen: Das PZT wird zu Nanobändern geformt und in einem wellenförmigen Muster dargestellt.

Anwendungen

Von Sensoren bis hin zu tragbarer Elektronik wächst das Angebot an verfügbaren Nanotechnologien von Jahr zu Jahr. Unglaubliche Innovationen in der Biomedizin in den letzten Jahren erinnern an unsere Science-Fiction-Träume der 1980er Jahre. Implantierbare medizinische Geräte erfordern eine konstante, zuverlässige Stromversorgung, und eine invasive Operation zum Ersetzen von Akkus ist keine perfekte Lösung. Die automatischen Bewegungen des Körpers, einschließlich Herzschlag und Atmung, könnten die kinetische Energie liefern, die von piezoelektrischen Nanogeneratoren benötigt wird. Kleinste Bewegungen erzeugen Reibung mit dem Potenzial, triboelektrische Nanogeneratoren anzutreiben. Abwärmeenergie ist im menschlichen Körper im Überfluss vorhanden und liefert Brennstoff für pyroelektrische Nanogeneratoren.

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2012 gab es einige massive Fortschritte bei der Ausgangsleistungsdichte von Nanogeneratoren, und die wachsende Zahl von Forschern auf der ganzen Welt zeigt keine Anzeichen dafür, dass sich dieser Fortschritt verlangsamt. Von der in Ihre Kleidung eingebetteten Technologie bis hin zu Unterhautimplantaten versprechen Nanogeneratoren, die Zukunft der Nanotechnologie weitaus benutzerfreundlicher zu gestalten.

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Geschrieben von Jody Binns

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