Nanogénérateurs triboélectriques: les perles plastiques alimentent la technologie portable

Une équipe internationale d’ingénieurs a récemment démontré un nouveau style de nanogénérateurs triboélectriques (TENG) qui améliore la création d’énergie et réduit les coûts de fabrication. La triboélectrisation désigne l’exploitation de l’électricité générée par la charge statique. Cette source d’énergie propre et facilement disponible pourrait un jour ouvrir la voie à un avenir plus vert.

Alors que la volonté d’atteindre la neutralité carbone à l’échelle mondiale s’intensifie, de nombreuses attentions se portent sur la création d’alternatives énergétiques vertes. Notamment, les innovations dans la production d’énergie solaire, éolienne et géothermique occupent la plupart des gros titres, tandis que d’autres méthodes comme la triboélectrisation continuent de gagner du terrain. Voici comment cette technologie pourrait un jour créer des appareils portables améliorés, générer de l’énergie renouvelable et ouvrir la porte à des opérations plus sûres.

Nanogénérateurs triboélectriques (TENG)

Les TENG utilisent la charge statique générée lorsque des matériaux sont frottés les uns contre les autres. Lorsque certaines surfaces de matériaux entrent en contact avec des matériaux particuliers, une charge est produite. Cette charge statique peut être amplifiée, permettant une génération électrique fiable.

Il est à noter que les TENG actuels reposent sur de petites perles semblables à du plastique. Ces perles étroitement empaquetées possèdent des charges différentes, certaines étant négatives et d’autres positives. Lorsqu’elles sont frottées ensemble, la combinaison de friction, d’adhérence et de séparation travaille de concert pour créer un contact supplémentaire de surface, permettant à ces générateurs de maximiser la production.

Problèmes des TENG aujourd’hui

Il reste encore plusieurs questions sans réponse et problèmes que les ingénieurs doivent surmonter pour faire des TENG une alternative fiable aux autres solutions d’énergie verte. D’une part, il y a un manque de compréhension concernant la dissipation de charge et la meilleure façon de la contrôler. Cette lacune de connaissances doit être comblée afin d’améliorer les performances et la fiabilité des TENG à l’avenir.

Source – Ignaas Jimidar

Jusqu’à récemment, on croyait que la triboélectrisation nécessitait l’utilisation de matériaux différents dans le TENG. Par exemple, le polytétrafluoroéthylène et le polydiméthylsiloxane étaient considérés comme des options fiables. Cependant, une équipe de chercheurs innovants vient de réfuter cette croyance avec l’introduction de leur dernier design de TENG amélioré.

Étude sur les nanogénérateurs triboélectriques

Interfaces granulaire dans les TENG: le rôle des monocouches de perles polymères à empaquetage serré pour les capteurs d’énergie¹

Plus précisément, les ingénieurs présentent une nouvelle méthode qui prend en charge le comportement d’électrisation de contact en utilisant des perles quasi identiques. Cette approche réduit les coûts de fabrication et permet davantage de personnalisation.

Pour commencer, les ingénieurs ont créé un TENG à base granulaire intégrant deux électrodes recouvertes de monocouches de perles polymères monodisperses. Cette configuration sans solvant est plus sûre et plus efficace que les alternatives, car elle élimine les sous‑produits chimiques nocifs et les risques.

Pour obtenir une génération sans solvant, les scientifiques ont déposé des perles monodisperses sur un substrat plan. Ils ont ensuite créé de la friction en frottant les couches entre elles. La forme des perles a engendré une friction de roulement qui a augmenté la tension de surface.

Trouver les perles appropriées

Il est à noter que l’équipe a découvert que l’utilisation de différents types de perles dans le processus présentait certains avantages. D’une part, l’électrisation entre certains grains était améliorée en raison des différences existantes de taille, forme, contrainte, densité de charge de surface ou rugosité de surface causées par l’humidité ou des facteurs environnementaux.

Les ingénieurs ont compris dès le départ que le type de perles utilisé influencerait les résultats finaux. Leur recherche a démontré que de légères variations dans le choix des matériaux ont un impact important sur les capacités de génération d’énergie. Ainsi, ils ont étudié divers matériaux, tailles et configurations.

Matériau

L’équipe a testé de nombreux types de matériaux polymères pendant le processus. Ils ont noté que les matériaux polymères offrent une réactivité aux stimuli et constituent une base fiable. Plusieurs variantes de perles ont été disposées avant de se fixer sur des perles mélamine-formaldéhyde (MF).

Les perles MF ont démontré des avantages distincts lors de la charge triboélectrique. D’une part, elles offrent une meilleure rétention de charge et possèdent une faible élasticité. De plus, elles présentent le module d’élasticité ou l’énergie de cohésion les plus élevés.

De plus, elles affichent toujours une charge positive lorsqu’elles sont en contact avec certains matériaux comme les perles PMMA et présentent la charge la plus élevée grâce à leur module de Young relativement supérieur. Le module de Young est un algorithme utilisé pour mesurer la rigidité ou la résistance à la déformation élastique lorsqu’il est soumis à une charge.

Taille des perles

L’équipe a également expérimenté avec de nombreuses tailles de perles différentes. Plus précisément, les ingénieurs ont utilisé des particules monodisperses avec des diamètres variables de 0,5, 3 et 10 µm. Ils ont noté que les perles plus grandes étaient plus susceptibles de retenir une charge négative, tandis que les perles plus petites conservaient des charges positives.

Monocouches

Une fois le matériau, la taille et l’espacement des perles déterminés, les ingénieurs ont créé des monocouches du matériau. Selon leur rapport, l’équipe utilise des techniques d’assemblage par frottement de particules sans solvant sur des substrats revêtus de fluorocarbure.

Disposition

Cette disposition était la première fois que des scientifiques utilisaient des particules discrètes dans une configuration de monocouche à empaquetage serré comme électrode de TENG. Cette approche fournit la densité d’empaquetage la plus élevée, configuration hexagonale à empaquetage serré (HCP), et offre davantage de contact de surface tout en réduisant la surface totale, permettant un échange de charge plus important entre elles.

Comment fonctionnent les nanogénérateurs triboélectriques

Pour faire fonctionner le nanogénérateur triboélectrique, un mouvement de frottement est initié. Cette action provoque le mélange de monocouches de poudres sèches de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), de polystyrène (PS) et de résine de mélamine (MF) qui se frottent. Cette action crée une triboélectrisation entre les perles et les substrats.

Test des nanogénérateurs triboélectriques

Les ingénieurs ont réalisé plusieurs tests pour prouver l’efficacité de leur nouveau générateur. Une partie du processus de test comprenait des expériences de contact-séparation (CS). Plus précisément, les ingénieurs utilisent une microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM) et un microscope à force atomique (AFM) pour surveiller l’adhérence de surface, le phénomène d’électrisation et les déformations élastiques.

Résultats des nanogénérateurs triboélectriques

Les résultats des tests ont montré beaucoup de promesses pour cette technologie. Plus précisément, l’équipe a démontré un nouveau niveau de capacités de personnalisation incluant le contrôle de la topographie de surface, de la géométrie, de la taille de contact et de l’homogénéité.

Ils ont découvert que la densité de charge de surface d’une paire spécifique peut être augmentée en recouvrant les électrodes avec la perle la plus petite ayant le module de Young le plus élevé. L’équipe a vérifié la longévité jusqu’à 10 000 cycles.

Le générateur a fonctionné comme prévu, produisant une énergie propre avec une dégradation de performance minimale. En conséquence, il est considéré par beaucoup comme l’une des meilleures options dans la lutte contre le changement climatique.

Avantages des nanogénérateurs triboélectriques

Il existe plusieurs avantages qui font des nanogénérateurs triboélectriques un choix judicieux. D’une part, ils offrent une option économique et plus verte qui peut produire de l’électricité sur place. Cette nouvelle méthode de fabrication de TENG promet de réduire encore davantage les coûts.

Longévité

Un autre avantage de la nouvelle disposition TANG est la capacité de la restaurer à son état d’origine en frottant une poudre particulière sur sa surface. Cette capacité signifie que les nanogénérateurs triboélectriques peuvent dépasser leurs concurrents et offrir des coûts de maintenance inférieurs.

Fabrication

Le design prend en charge une fabrication de TENG à faible coût et durable sans l’utilisation de solvants. Cette approche est plus rapide et plus propre. De plus, elle génère moins de pollution, et le produit final est personnalisable. Les ingénieurs peuvent même créer des monocouches, qui peuvent ensuite être incorporées dans de nouveaux styles de structures textiles.

Applications réelles des nanogénérateurs triboélectriques & Chronologie:

Les nanogénérateurs triboélectriques pourraient bouleverser plusieurs industries. D’une part, la capacité de créer des appareils auto‑alimentés est un changement de jeu. Elle réduit la dépendance aux sources d’énergie traditionnelles comme les batteries et offre une alternative plus propre qui peut être conçue pour s’adapter à des facteurs de forme plus petits. Selon les ingénieurs, des applications commerciales pourraient émerger d’ici 3 à 5 ans à mesure que la technologie mûrit.

Collecte d’énergie

L’une des principales utilisations de cette technologie est la collecte d’énergie. Cette technologie pourrait être intégrée dans les foyers ou les appareils électroniques, éliminant le besoin de recharge. Imaginez tous vos appareils fonctionnant sans batteries, prises ou sources d’énergie externes. Cette approche pourrait améliorer l’adoption et inaugurer une nouvelle ère technologique.

Les nanogénérateurs triboélectriques pourraient être appliqués comme surface à d’autres solutions d’énergie verte et améliorer les résultats. Par exemple, imaginez une éolienne qui génère également de l’électricité grâce à l’électricité statique entre les pales et l’air lorsqu’elle tourne. La même technologie pourrait également aider à produire de l’énergie lorsque le moteur tourne.

Vêtements intelligents

Il y a eu beaucoup de discussions sur l’utilisation de cette technologie pour créer des vêtements intelligents. Imaginez un manteau qui peut se chauffer grâce à l’énergie générée lorsque vous le portez. Ou imaginez pouvoir connecter votre smartphone au port de charge de votre chaussure. Tout cela et bien plus est possible grâce aux nanogénérateurs triboélectriques.

Lorsqu’on parle de vêtements quotidiens, c’est un bonus. Cependant, lorsqu’on porte la discussion à un niveau supérieur et qu’on parle d’exploration, la perspective de vêtements intelligents auto‑alimentés est un avantage considérable. Elle pourrait aider à assurer le confort et prévenir les blessures inutiles. De plus, elle pourrait garantir que des mesures de sécurité appropriées soient toujours en place.

Véhicules électriques

Les véhicules électriques pourraient bénéficier d’un gain de performance majeur grâce à l’intégration de ces dispositifs. Puisque les générateurs triboélectriques produisent de l’énergie sans émissions sur place via l’électricité statique, ils offrent une alternative plus fiable et moins complexe aux faisceaux de câblage interminables que l’on trouve dans les véhicules actuels. À l’avenir, ces unités n’auront pas besoin d’énergie provenant de la batterie centrale, car elles auront très probablement leur propre source d’énergie intégrée.

Chercheurs sur les nanogénérateurs triboélectriques

​Des chercheurs du Département de génie chimique de l’Université libre de Bruxelles, de l’Université technique de Riga, du Royal Melbourne Institute of Technology et de l’Institut MESA+ de l’Université de Twente, dirigés par le Dr Ignaas Jimidar de la VUB, ont tous contribué à la réalisation de l’étude.

Maintenant, l’équipe cherche à améliorer l’efficacité et la fabrication afin de permettre des applications à grande échelle. Leur objectif est de poursuivre la recherche sur divers matériaux et formes. À partir de là, ils souhaitent créer des partenariats stratégiques pour intégrer cette technologie dans des produits réels.

Entreprise innovante qui mène la charge

Alors que les avancées dans les appareils électroniques auto‑alimentés et les solutions d’énergie alternatives continuent, les entreprises à la pointe de la transmission d’énergie sans fil font également d’importants progrès. Bien que les nanogénérateurs triboélectriques offrent une voie prometteuse pour la génération d’énergie durable, d’autres entreprises innovent dans les technologies de charge sans fil, repoussant les limites de la façon dont nous exploitons et distribuons l’énergie.

Il y a une course pour créer une énergie propre et la mettre à la portée des masses. Les entreprises continuent d’investir dans des solutions d’énergie verte et renouvelable qui pourraient un jour aider à prévenir davantage de dommages climatiques.

La perspective de nouvelles possibilités pour les nanogénérateurs triboélectriques dans la vie quotidienne ouvre la porte à un avenir plus lumineux. Voici une entreprise qui continue de créer des moyens nouveaux et passionnants d’éliminer la dépendance aux sources d’énergie traditionnelles.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) est entrée sur le marché en 2012 sous le nom de DvineWave Inc. L’entreprise est située à San Jose, Californie, et a été créée pour fournir des solutions et une infrastructure de charge sans fil au marché. Aujourd’hui, elle est reconnue comme l’un des principaux innovateurs du secteur de l’énergie verte.

Energous Corp possède plusieurs produits qui lui ont valu la reconnaissance sur le marché. Sa technologie de puissance sans fil WattUp est l’option la plus populaire, offrant une charge fiable. L’entreprise propose également la technologie de réseau d’énergie sans fil (WPNT), comme les contrôles logiciels, les conceptions matérielles, les antennes et les ensembles de puces semi-conductrices.

Il est à noter qu’Energous détient plus de 200 brevets dans l’industrie de la technologie sans fil. De plus, elle a été la première entreprise à obtenir la certification FCC Part 18 pour la charge sans fil à distance. Tous ces facteurs, combinés à la trajectoire éprouvée d’Energous, font de WATT une action intelligente à étudier davantage.

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Nanogénérateurs triboélectriques – Ne plus jamais acheter de batteries

La perspective de générer de l’énergie grâce à l’électricité statique avancée est une idée qui enthousiasme les analystes et les ingénieurs. L’introduction de technologies haute performance comme les appareils portables auto‑alimentés devrait offrir davantage de capacités de surveillance et de communication au monde. En conséquence, ces ingénieurs méritent des éloges pour leurs efforts.

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Études référencées:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Interfaces granulaire dans les TENG: le rôle des monocouches de perles polymères à empaquetage serré pour les capteurs d’énergie. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155 en français.}