Nanogenerator Triboelektrik: Manik Plastik Menggerakkan Teknologi Wearable

Sebuah tim internasional insinyur baru-baru ini menunjukkan gaya baru nanogenerator triboelektrik (TENG) yang meningkatkan pembuatan energi dan menurunkan biaya produksi. Triboelektrifikasi mengacu pada pemanfaatan listrik yang dihasilkan oleh muatan statis. Sumber energi bersih dan mudah diakses ini suatu hari dapat membuka masa depan yang lebih hijau.

Seiring dorongan untuk mencapai emisi karbon net zero secara global meningkat, banyak perhatian diarahkan pada penciptaan alternatif energi hijau. Secara khusus, inovasi dalam pembangkit listrik tenaga surya, angin, dan panas bumi mendominasi berita, sementara metode lain seperti triboelektrifikasi terus mendapatkan perhatian. Inilah cara teknologi ini suatu hari dapat menciptakan wearable yang lebih canggih, menghasilkan energi terbarukan, dan membuka pintu bagi operasi yang lebih aman.

Nanogenerator Triboelektrik (TENGs)

TENG memanfaatkan muatan statis yang dihasilkan ketika material digosok bersama. Ketika permukaan material tertentu bersentuhan dengan material khusus, muatan terbentuk. Muatan statis ini dapat ditingkatkan, memungkinkan generasi listrik yang dapat diandalkan.

Secara khusus, TENG saat ini bergantung pada manik kecil mirip plastik. Manik yang terpaket rapat ini memiliki muatan berbeda, ada yang negatif dan ada yang positif. Saat digosok bersama, kombinasi gesekan, adhesi, dan pemisahan bekerja bersama untuk menciptakan kontak permukaan tambahan, memungkinkan generator ini memaksimalkan output.

Masalah TENG Saat Ini

Masih ada beberapa pertanyaan dan masalah yang belum terjawab yang harus diatasi insinyur untuk menjadikan TENG alternatif yang dapat diandalkan dibandingkan solusi energi hijau lainnya. Salah satunya, kurangnya pemahaman tentang disipasi muatan dan cara terbaik mengendalikannya. Kesempatan pengetahuan ini harus dijembatani untuk meningkatkan kinerja dan keandalan TANG ke depan.

Sumber – Ignaas Jimidar

Sampai baru-baru ini, diyakini bahwa triboelektrifikasi memerlukan penggunaan material yang beragam dalam TENG. Misalnya, polytetrafluoroethylene dan polydimethylsiloxane terbukti sebagai pilihan yang dapat diandalkan. Namun, tim peneliti inovatif baru saja membantah keyakinan tersebut dengan memperkenalkan desain TENG terbaru mereka yang ditingkatkan.

Studi Nanogenerator Triboelektrik

Studi “Antarmuka Granular dalam TENG: Peran Monolayer Manik Polimer Tertutup Rapat untuk Penghasil Energi“¹ berupaya menjelaskan seluk-beluk dispersi muatan triboelektrifikasi dan penggunaan material.

Secara khusus, insinyur memperlihatkan metode baru yang mendukung perilaku elektrifikasi kontak menggunakan manik yang hampir identik. Pendekatan ini mengurangi biaya produksi dan memungkinkan lebih banyak kustomisasi.

Untuk memulai, insinyur menciptakan TENG berbasis granular yang mengintegrasikan dua elektroda yang dilapisi monolayer manik polimer monodispers. Pengaturan bebas pelarut ini lebih aman dan lebih efisien dibandingkan alternatif karena menghilangkan produk sampingan kimia berbahaya dan risikonya.

Untuk mencapai generasi bebas pelarut, ilmuwan menempatkan manik monodispers pada substrat datar. Mereka kemudian menciptakan gesekan dengan menggosok lapisan tersebut bersama. Bentuk manik menciptakan gesekan bergulir yang meningkatkan tegangan permukaan.

Menemukan Manik yang Tepat

Secara khusus, tim menemukan bahwa penggunaan berbagai jenis manik dalam proses memiliki beberapa keunggulan. Salah satunya, elektrifikasi antara butir tertentu meningkat karena perbedaan ukuran, bentuk, tegangan, densitas muatan permukaan, atau kekasaran permukaan yang disebabkan oleh kelembaban atau faktor lingkungan.

Insinyur belajar sejak awal bahwa jenis manik yang digunakan akan memengaruhi hasil akhir. Penelitian mereka menunjukkan bahwa perubahan kecil dalam pemilihan material memiliki dampak besar pada kemampuan menghasilkan energi. Oleh karena itu, mereka meneliti berbagai material, ukuran, dan tata letak.

Material

Tim menguji banyak jenis material polimer selama proses. Mereka mencatat bahwa material polimer menawarkan responsif terhadap rangsangan dan menyediakan dasar yang dapat diandalkan. Beberapa varian manik diatur sebelum memutuskan menggunakan manik melamin-formaldehida (MF).

Manik MF menunjukkan keunggulan khusus selama pengisian triboelektrik. Salah satunya, mereka menawarkan retensi muatan yang lebih baik dan memiliki elastisitas rendah. Selain itu, mereka memiliki modulus elastisitas tertinggi atau energi kohesi.

Selain itu, mereka selalu menunjukkan muatan positif ketika bersentuhan dengan material tertentu seperti manik PMMA dan menunjukkan pengisian tertinggi karena Young’s modulus mereka yang relatif lebih tinggi. Young’s modulus adalah algoritma yang digunakan untuk mengukur kekakuan atau resistensi terhadap deformasi elastis ketika diberikan beban.

Ukuran Manik

Tim juga bereksperimen dengan banyak ukuran manik yang berbeda. Secara khusus, insinyur menggunakan partikel monodispers dengan diameter bervariasi 0,5, 3, dan 10 µm. Mereka mencatat bahwa manik yang lebih besar cenderung menahan muatan negatif, sedangkan manik yang lebih kecil mempertahankan muatan positif.

Monolayer

Setelah material, ukuran, dan jarak antar manik ditentukan, insinyur membuat monolayer material tersebut. Menurut laporan mereka, tim menggunakan teknik perakitan penggosokan partikel bebas pelarut pada substrat berlapis fluorokarbon.

Tata Letak

Tata letak ini merupakan pertama kalinya ilmuwan menggunakan partikel terpisah dalam konfigurasi monolayer rapat sebagai elektroda TENG. Pendekatan ini memberikan kepadatan pemadatan tertinggi dengan konfigurasi heksagonal rapat (HCP) dan menawarkan lebih banyak kontak permukaan sambil tetap mengurangi area permukaan, memungkinkan pertukaran muatan yang lebih besar di antara mereka.

Cara Kerja Nanogenerator Triboelektrik

Untuk mengoperasikan nanogenerator triboelektrik, gerakan penggosokan dimulai. Tindakan ini menyebabkan campuran monolayer serbuk kering monodispers polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene (PS), dan resin melamin (MF) bergesekan. Tindakan ini menciptakan triboelektrifikasi antara manik dan substrat.

Pengujian Nanogenerator Triboelektrik

Insinyur melakukan beberapa pengujian untuk membuktikan efisiensi generator baru mereka. Sebagian proses pengujian mencakup eksperimen kontak-pemisahan (CS). Secara khusus, insinyur menggunakan Kelvin probe force microscopy (KPFM) dan atomic force microscope (AFM) untuk memantau adhesi permukaan, fenomena elektrifikasi, dan deformasi elastis.

Hasil Nanogenerator Triboelektrik

Hasil pengujian menunjukkan banyak harapan untuk teknologi ini. Secara khusus, tim menunjukkan tingkat kemampuan kustomisasi baru termasuk kontrol atas topografi permukaan, geometri, ukuran kontak, dan homogenitas.

Mereka menemukan bahwa densitas muatan permukaan pasangan tertentu dapat ditingkatkan dengan menutupi elektroda dengan manik yang lebih kecil dengan Young’s modulus tertinggi. Tim juga memeriksa ketahanan hingga 10.000 siklus.

Generator berfungsi sesuai harapan menghasilkan energi bersih dengan degradasi kinerja minimal. Oleh karena itu, banyak yang melihatnya sebagai salah satu opsi terbaik dalam perang melawan perubahan iklim.

Manfaat Nanogenerator Triboelektrik

Ada beberapa manfaat yang menjadikan Nanogenerator Triboelektrik pilihan cerdas. Salah satunya, mereka menyediakan opsi yang hemat biaya dan lebih ramah lingkungan yang dapat menghasilkan listrik di lokasi. Metode terbaru produksi TENG ini menjanjikan pengurangan biaya yang lebih besar lagi.

Umur Pakai

Manfaat lain dari tata letak TANG baru adalah kemampuan untuk mengembalikannya ke keadaan semula dengan menggosokkan serbuk khusus pada permukaannya. Kemampuan ini berarti Nanogenerator Triboelektrik dapat bertahan lebih lama daripada pesaingnya dan menawarkan biaya perawatan yang lebih rendah secara keseluruhan.

Pembuatan

Desain ini mendukung produksi TENG yang murah dan berkelanjutan tanpa penggunaan pelarut. Pendekatan ini lebih cepat dan lebih bersih. Selain itu, menghasilkan lebih sedikit polusi, dan produk akhir dapat dikustomisasi. Insinyur bahkan dapat membuat monolayer, yang kemudian dapat dimasukkan ke dalam gaya baru struktur tekstil.

Aplikasi Dunia Nyata Nanogenerator Triboelektrik & Garis Waktu:

Nanogenerator Triboelektrik dapat mengubah beberapa industri. Salah satunya, kemampuan menciptakan elektronik yang mandiri energi menjadi pengubah permainan. Ini mengurangi ketergantungan pada sumber energi tradisional seperti baterai dan menyediakan alternatif yang lebih bersih yang dapat disesuaikan dengan faktor bentuk yang lebih kecil. Menurut insinyur, aplikasi komersial dapat muncul dalam 3 hingga 5 tahun ke depan seiring teknologi matang.

Pemanfaatan Energi

Salah satu penggunaan utama teknologi ini adalah pemanfaatan energi. Teknologi ini dapat diintegrasikan ke dalam rumah atau perangkat elektronik, menghilangkan kebutuhan pengisian daya. Bayangkan semua perangkat elektronik Anda berfungsi tanpa baterai, stopkontak, atau sumber daya eksternal. Pendekatan ini dapat meningkatkan adopsi dan membuka era teknologi baru.

Nanogenerator triboelektrik dapat diterapkan sebagai permukaan pada solusi energi hijau lainnya dan meningkatkan hasilnya. Misalnya, bayangkan sebuah kincir angin yang juga menghasilkan listrik karena listrik statis antara baling-baling dan udara saat berputar. Teknologi yang sama juga dapat membantu menghasilkan energi saat motor berputar.

Pakaian Pintar

Banyak pembicaraan tentang pemanfaatan teknologi ini untuk menciptakan pakaian pintar. Bayangkan sebuah mantel yang dapat menghangatkan dirinya sendiri dari daya yang dihasilkan saat Anda memakainya. Atau bayangkan dapat menghubungkan smartphone Anda ke port pengisian sepatu Anda. Semua ini dan lebih banyak lagi dimungkinkan dengan memanfaatkan Nanogenerator Triboelektrik.

Ketika membahas pakaian sehari-hari, ini merupakan bonus. Namun, ketika Anda meningkatkan tingkat pentingnya dan membahas eksplorasi, prospek pakaian pintar yang mengisi daya sendiri menjadi manfaat besar. Ini dapat membantu memastikan kenyamanan dan mencegah cedera yang tidak perlu. Selain itu, ini dapat menjamin selalu ada langkah-langkah keselamatan yang tepat.

Kendaraan Listrik (EV)

Kendaraan listrik dapat memperoleh peningkatan kinerja yang signifikan melalui integrasi perangkat ini. Karena generator triboelektrik menghasilkan energi dengan emisi nol di lokasi melalui listrik statis, mereka menawarkan alternatif yang lebih andal dan kurang kompleks dibandingkan rangkaian kabel tak berujung yang ada pada kendaraan saat ini. Di masa depan, unit ini tidak akan membutuhkan daya dari baterai pusat karena kemungkinan besar sumber daya mereka akan terintegrasi.

Peneliti Nanogenerator Triboelektrik

Peneliti dari Departemen Teknik Kimia di Vrije Universiteit Brussel, Riga Technical University, Royal Melbourne Institute of Technology, dan MESA+ Institute di University of Twente dipimpin oleh Dr. Ignaas Jimidar dari VUB semuanya berkontribusi pada studi ini.

Sekarang, tim berupaya meningkatkan efisiensi dan produksi untuk memungkinkan aplikasi skala besar. Tujuan mereka adalah melanjutkan penelitian pada berbagai material dan bentuk. Dari sana, mereka ingin membangun kemitraan strategis untuk mengintegrasikan teknologi ini ke dalam produk dunia nyata.

Perusahaan Inovatif yang Memimpin Perubahan

Seiring kemajuan dalam elektronik mandiri energi dan solusi energi alternatif terus berlanjut, perusahaan-perusahaan di garis depan transmisi energi nirkabel juga membuat langkah signifikan. Meskipun nanogenerator triboelektrik menawarkan jalur menjanjikan untuk pembangkit listrik berkelanjutan, perusahaan lain berinovasi dalam teknologi pengisian nirkabel, mendorong batas cara kita memanfaatkan dan mendistribusikan energi.

Ada perlombaan untuk menciptakan energi bersih dan menyebarkannya ke masyarakat. Perusahaan terus berinvestasi dalam solusi energi hijau dan terbarukan yang suatu hari dapat membantu mencegah kerusakan iklim lebih lanjut.

Prospek kemungkinan baru bagi nanogenerator triboelektrik dalam kehidupan sehari-hari membuka pintu menuju masa depan yang lebih cerah. Berikut satu perusahaan yang terus menciptakan cara baru dan menarik untuk menghilangkan ketergantungan pada sumber energi tradisional.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) masuk pasar pada tahun 2012 sebagai DvineWave Inc. Perusahaan ini berlokasi di San Jose, California, dan didirikan untuk menyediakan solusi dan infrastruktur pengisian nirkabel ke pasar. Saat ini, perusahaan ini diakui sebagai salah satu inovator terkemuka di sektor energi hijau.

Energous Corp memiliki beberapa produk yang membantu mereka mendapatkan pengakuan di pasar. Teknologi daya nirkabel WattUp adalah pilihan paling populer, menawarkan pengisian yang dapat diandalkan. Perusahaan juga menyediakan teknologi jaringan daya nirkabel (WPNT), seperti kontrol perangkat lunak, desain perangkat keras, antena, dan chipset semikonduktor.

Secara khusus, Energeous memiliki lebih dari 200 paten di industri teknologi nirkabel. Selain itu, perusahaan ini merupakan yang pertama memperoleh sertifikasi FCC Part 18 untuk pengisian nirkabel jarak jauh. Semua faktor ini, bersama dengan rekam jejak terbukti Energeous, menjadikan WATT saham cerdas untuk diteliti lebih lanjut.

Terbaru tentang Energous Corporation

Nanogenerator Triboelektrik – Tidak Perlu Membeli Baterai Lagi

Prospek menghasilkan energi melalui listrik statis canggih membuat para analis dan insinyur bersemangat. Pengenalan teknologi berperforma tinggi seperti wearable mandiri energi pasti akan memberikan lebih banyak kemampuan pemantauan dan komunikasi ke dunia. Oleh karena itu, insinyur ini pantas mendapat pujian atas upaya mereka.

Pelajari tentang nanotek lainnya di sini.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Antarmuka granular dalam TENG: Peran monolayer manik polimer rapat untuk penghasil energi. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}