Generadores Nanogeneradores Triboeléctricos: Bolas de Plástico Impulsan la Tecnología Portátil

Un equipo internacional de ingenieros demostró recientemente un nuevo estilo de nanogeneradores triboeléctricos (TENGs) que mejora la generación de energía y reduce los costos de fabricación. La triboelectricidad se refiere a aprovechar la electricidad creada por la carga estática. Esta fuente de energía limpia y fácilmente disponible podría, algún día, abrir un futuro más verde.

A medida que aumenta el impulso para alcanzar emisiones netas de carbono cero a escala global, se ha puesto mucha atención en crear alternativas de energía verde. Notablemente, las innovaciones en generación de energía solar, eólica y geotérmica acaparan la mayoría de los titulares, mientras que otros métodos como la triboelectricidad siguen ganando terreno. He aquí cómo esta tecnología podría, algún día, crear dispositivos portátiles mejorados, generar energía renovable y abrir la puerta a operaciones más seguras.

Nanogeneradores Triboeléctricos (TENGs)

Los TENGs utilizan la carga estática generada cuando los materiales se frotan entre sí. Cuando ciertas superficies de material entran en contacto con materiales particulares, se produce una carga. Esta carga estática puede ser aumentada, permitiendo una generación eléctrica fiable.

Cabe destacar que los TENGs actuales dependen de pequeñas perlas de aspecto plástico. Estas perlas empaquetadas estrechamente tienen diferentes cargas, algunas negativas y otras positivas. Al frotarse, la combinación de fricción, adhesión y separación trabaja conjuntamente para crear un contacto superficial adicional, permitiendo que estos generadores maximicen la salida.

Problemas con los TENGs Hoy

Todavía existen varias preguntas sin respuesta y problemas que los ingenieros deben superar para que los TENGs sean una alternativa fiable a otras soluciones de energía verde. Por un lado, hay una falta de comprensión sobre la disipación de carga y la mejor manera de controlarla. Esta brecha de conocimiento debe cerrarse para mejorar el rendimiento y la fiabilidad de los TANGs en el futuro.

Fuente – Ignaas Jimidar

Hasta hace poco, se creía que la triboelectricidad requería el uso de materiales diferentes en el TENG. Por ejemplo, el politetrafluoroetileno y el polisiloxano de dimetilo se demostraron como opciones fiables. Sin embargo, un equipo de investigadores innovadores acaba de refutar esa creencia con la introducción de su último diseño mejorado de TENG.

Estudio de Nanogeneradores Triboeléctricos

El estudio “Interfaces granulares en TENGs: El papel de las monocapas de perlas de polímero compactas para captadores de energía“¹ busca arrojar luz sobre las complejidades de la dispersión de carga triboeléctrica y los usos de materiales.

Específicamente, los ingenieros presentan un nuevo método que soporta el comportamiento de electrificación por contacto usando perlas casi idénticas. Este enfoque reduce los costos de fabricación y permite una mayor personalización.

Para comenzar, los ingenieros crearon un TENG basado en granulares que integra dos electrodos recubiertos con monocapas de perlas de polímero monodispersas. Esta configuración sin solventes es más segura y eficiente que las alternativas, ya que elimina subproductos químicos nocivos y riesgos.

Para lograr la generación sin solventes, los científicos depositaron perlas monodispersas sobre un sustrato plano. Luego crearon fricción frotando las capas entre sí. La forma de las perlas generó una fricción de rodadura que aumentó la tensión superficial.

Encontrar las Perlas Adecuadas

Cabe destacar que el equipo descubrió que usar varios tipos de perlas en el proceso tenía algunas ventajas. Por un lado, la electrificación entre ciertos granos mejoró debido a diferencias existentes en tamaño, forma, tensión, densidades de carga superficial o rugosidad de la superficie provocada por la humedad o factores ambientales.

Los ingenieros aprendieron desde el principio que el tipo de perlas utilizadas influiría en los resultados finales. Su investigación demostró que pequeños cambios en la selección de materiales tienen un gran impacto en las capacidades de generación de energía. Por lo tanto, investigaron varios materiales, tamaños y disposiciones.

Material

El equipo probó muchos tipos diferentes de materiales poliméricos durante el proceso. Notaron que los materiales poliméricos ofrecen capacidad de respuesta a estímulos y proporcionan una base fiable. Se organizaron varias variantes de perlas antes de decidirse por perlas de melamina-formaldehído (MF).

Las perlas MF demostraron ventajas distintas durante la carga triboeléctrica. Por un lado, ofrecen mejor retención de carga y tienen baja elasticidad. Además, poseen el mayor módulo elástico o energía de cohesión.

Además, siempre muestran una carga positiva al estar en contacto con ciertos materiales como perlas de PMMA y presentan la mayor carga debido a su relativamente mayor módulo de Young. El módulo de Young es una medida utilizada para cuantificar la rigidez o resistencia a la deformación elástica bajo carga.

Tamaño de la Perla

El equipo también experimentó con muchos tamaños diferentes de perlas. Específicamente, los ingenieros utilizaron partículas monodispersas con diámetros variables de 0,5, 3 y 10 µm. Notaron que las perlas más grandes tendían a retener una carga negativa, mientras que las perlas más pequeñas mantenían cargas positivas.

Monocapas

Una vez determinados el material, tamaño y espaciado de las perlas, los ingenieros crearon monocapas del material. Según su informe, el equipo utiliza técnicas de ensamblaje por frotamiento de partículas sin solventes sobre sustratos recubiertos de fluorocarbono.

Disposición

Esta disposición fue la primera vez que los científicos utilizaron partículas discretas en una configuración de monocapa compacta como electrodo de TENG. Este enfoque proporciona la mayor densidad de empaquetamiento, configuración hexagonal compacta (HCP), y ofrece más contacto superficial mientras reduce el área superficial, permitiendo un mayor intercambio de carga entre ellas.

Cómo Funcionan los Nanogeneradores Triboeléctricos

Para operar el nanogenerador triboeléctrico se inicia un movimiento de frotamiento. Esta acción hace que la mezcla de monocapas de polvos secos monodispersos de polimetilmetacrilato (PMMA), poliestireno (PS) y resina de melamina (MF) se froten. Esta acción crea triboelectricidad entre las perlas y los sustratos.

Prueba de los Nanogeneradores Triboeléctricos

Los ingenieros realizaron varias pruebas para demostrar la eficiencia de su nuevo generador. Parte del proceso de pruebas incluyó experimentos de contacto-separación (CS). Específicamente, los ingenieros utilizan microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) para monitorear la adhesión superficial, el fenómeno de electrificación y las deformaciones elásticas.

Resultados de los Nanogeneradores Triboeléctricos

Los resultados de las pruebas mostraron mucho potencial para esta tecnología. Específicamente, el equipo demostró un nuevo nivel de capacidades de personalización, incluyendo control sobre la topografía superficial, la geometría, el tamaño de contacto y la homogeneidad.

Descubrieron que la densidad de carga superficial de un par específico puede aumentarse cubriendo los electrodos con la perla más pequeña que tiene el mayor módulo de Young. El equipo verificó la longevidad hasta 10.000 ciclos.

El generador funcionó como se esperaba, produciendo energía limpia con una degradación mínima del rendimiento. Por ello, muchos lo consideran una de las mejores opciones en la lucha contra el cambio climático.

Beneficios de los Nanogeneradores Triboeléctricos

Existen varios beneficios que hacen de los Nanogeneradores Triboeléctricos una opción inteligente. Por un lado, ofrecen una alternativa rentable y más ecológica que puede producir electricidad in situ. Este método más reciente de fabricación de TENG promete reducir aún más los costos.

Longevidad

Otro beneficio del nuevo diseño de TANG es la capacidad de restaurarlo a su estado original frotando un polvo particular sobre su superficie. Esta capacidad significa que los Nanogeneradores Triboeléctricos pueden superar a sus competidores y ofrecer menores costos de mantenimiento en general.

Fabricación

El diseño soporta una fabricación de TENG de bajo costo y sostenible sin el uso de solventes. Este enfoque es más rápido y limpio. Además, genera menos contaminación, y el producto final es personalizable. Los ingenieros incluso pueden crear monocapas, que luego pueden incorporarse en nuevos estilos de estructuras textiles.

Aplicaciones del Mundo Real de los Nanogeneradores Triboeléctricos y Cronograma:

Los Nanogeneradores Triboeléctricos podrían revolucionar varias industrias. Por un lado, la capacidad de crear dispositivos autoalimentados es un cambio de juego. Reduce la dependencia de fuentes de energía tradicionales como las baterías y proporciona una alternativa más limpia que puede adaptarse a factores de forma más pequeños. Según los ingenieros, las aplicaciones comerciales podrían surgir dentro de los próximos 3 a 5 años a medida que la tecnología madure.

Captación de Energía

Uno de los principales usos de esta tecnología es la captación de energía. Esta tecnología podría integrarse en hogares o dispositivos electrónicos, eliminando la necesidad de carga. Imagine todos sus dispositivos funcionando sin baterías, enchufes o fuentes de energía externas. Este enfoque podría mejorar la adopción e inaugurar una nueva era tecnológica.

Los nanogeneradores triboeléctricos podrían aplicarse como superficie a otras soluciones de energía verde y mejorar los resultados. Por ejemplo, imagine un molino de viento que también genera electricidad debido a la electricidad estática entre las palas y el aire mientras gira. La misma tecnología también podría ayudar a producir energía a medida que el motor rota.

Ropa Inteligente

Se ha hablado mucho de utilizar esta tecnología para crear ropa inteligente. Imagine un abrigo que pueda calentarse por sí mismo con la energía generada al usarlo. O imagine poder conectar su smartphone al puerto de carga de su zapato. Todo esto y más es posible mediante el uso de Nanogeneradores Triboeléctricos.

Al hablar de ropa cotidiana, esto es un beneficio adicional. Sin embargo, cuando se eleva la apuesta y se discute la exploración, la perspectiva de ropa inteligente autoenergizada es una gran ventaja. Podría ayudar a garantizar comodidad y prevenir lesiones innecesarias. Además, podría asegurar que siempre haya medidas de seguridad apropiadas.

Vehículos Eléctricos

Los vehículos eléctricos podrían obtener un gran impulso en rendimiento mediante la integración de estos dispositivos. Dado que los generadores triboeléctricos producen energía con cero emisiones in situ mediante electricidad estática, ofrecen una alternativa más fiable y menos compleja al interminable arnés de cableado que se encuentra en los vehículos actuales. En el futuro, estas unidades no necesitarán energía de la batería central, ya que probablemente tendrán su fuente de energía incorporada.

Investigadores de Nanogeneradores Triboeléctricos

Investigadores del Departamento de Ingeniería Química de la Vrije Universiteit Brussel, la Riga Technical University, el Royal Melbourne Institute of Technology y el MESA+ Institute de la Universidad de Twente, liderados por el Dr. Ignaas Jimidar de VUB, contribuyeron al estudio.

Ahora, el equipo busca mejorar la eficiencia y la fabricación para habilitar aplicaciones a gran escala. Su objetivo es continuar investigando diversos materiales y formas. A partir de ahí, quieren crear asociaciones estratégicas para integrar esta tecnología en productos del mundo real.

Empresa Innovadora que Lidera el Impulso

A medida que los avances en electrónica autoalimentada y soluciones de energía alternativa continúan, las empresas a la vanguardia de la transmisión inalámbrica de energía también están logrando avances significativos. Mientras los nanogeneradores triboeléctricos ofrecen una vía prometedora para la generación sostenible de energía, otras firmas están innovando en tecnologías de carga inalámbrica, empujando los límites de cómo aprovechamos y distribuimos la energía.

Existe una carrera para crear energía limpia y llevarla a las masas. Las empresas continúan invirtiendo en soluciones de energía verde y renovable que podrían, algún día, ayudar a prevenir mayores daños climáticos.

La perspectiva de nuevas posibilidades para los nanogeneradores triboeléctricos en la vida cotidiana abre la puerta a un futuro más brillante. Aquí hay una empresa que sigue creando formas nuevas y emocionantes de eliminar la dependencia de fuentes de energía tradicionales.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) ingresó al mercado en 2012 como DvineWave Inc. La empresa está ubicada en San José, California, y fue creada para proporcionar soluciones e infraestructura de carga inalámbrica al mercado. Hoy, es reconocida como una de las principales innovadoras en el sector de energía verde.

Energous Corp tiene varios productos que le han ayudado a ganar reconocimiento en el mercado. Su tecnología de energía inalámbrica WattUp es la opción más popular, ofreciendo carga fiable. La compañía también ofrece tecnología de red de energía inalámbrica (WPNT), como controles de software, diseños de hardware, antenas y conjuntos de chips semiconductores.

Cabe destacar que Energeous posee más de 200 patentes en la industria de la tecnología inalámbrica. Además, fue la primera empresa en obtener la certificación FCC Parte 18 para carga inalámbrica a distancia. Todos estos factores, combinados con el historial probado de Energeous, hacen de WATT una acción inteligente para investigar más a fondo.

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Nanogeneradores Triboeléctricos – Nunca Más Compres Baterías

La perspectiva de generar energía mediante electricidad estática avanzada es una que entusiasma a analistas e ingenieros. La introducción de tecnología de alto rendimiento como los dispositivos portátiles autoalimentados seguramente proporcionará más capacidades de monitoreo y comunicación al mundo. Por ello, estos ingenieros merecen elogios por sus esfuerzos.

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Estudios Referenciados:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Interfaces granulares en TENGs: El papel de las monocapas de perlas de polímero compactas para captadores de energía. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}