Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
Produrre fibre capaci di generare elettricità senza ricorrere ad apparecchiature ad alta tensione. È l’obiettivo raggiunto da un gruppo di ricerca che ha sviluppato una tecnica basata sullo spray coating, un processo che combina due polimeri per realizzare materiali funzionali destinati a sensori intelligenti e dispositivi elettronici. Lo studio, pubblicato sulla rivista Advanced Composites and Hybrid Materials, punta a semplificare la fabbricazione dei nanogeneratori triboelettrici, aprendo nuove possibilità per l’elettronica autoalimentata.
Come funziona la nuova tecnologia spray coating
La ricerca affronta uno dei limiti dei metodi tradizionali per produrre fibre destinate alla generazione di energia: la necessità di utilizzare apparecchiature ad alta tensione e successive lavorazioni per evitare la dispersione delle cariche elettriche.
Il team ha sviluppato un processo di spray coating in un’unica fase, basato sulla combinazione di due materiali: P(VDF-TrFE), un polimero fluorurato con caratteristiche favorevoli alla generazione di cariche, e PDMS, un polimero siliconico capace di trattenerle.
La tecnica sfrutta le sollecitazioni meccaniche che la soluzione subisce attraversando l’ugello e trasformandosi in minuscole gocce. Queste deformazioni favoriscono l’orientamento delle catene polimeriche, mentre la rapida evaporazione del solvente contribuisce a stabilizzarne la struttura. Il processo permette così di favorire la formazione della fase cristallina β del P(VDF-TrFE), importante per le prestazioni triboelettriche, senza applicare un campo elettrico ad alta tensione.
La combinazione dei polimeri migliora la generazione di carica
Un altro elemento centrale riguarda il modo in cui i due materiali si distribuiscono durante l’asciugatura. In base alle rispettive energie superficiali, il PDMS tende a concentrarsi verso l’esterno, mentre il P(VDF-TrFE) si accumula maggiormente nella parte interna.
Si forma così una struttura a composizione graduale, senza bisogno di aggiungere un rivestimento separato. La parte interna favorisce la generazione delle cariche, mentre lo strato esterno ricco di PDMS contribuisce a trattenerle, limitandone la dispersione.
Questa organizzazione permette di affrontare due esigenze fondamentali dei nanogeneratori triboelettrici: aumentare l’efficacia della generazione elettrica e ridurre le perdite di carica. La semplificazione delle fasi produttive potrebbe inoltre agevolare la fabbricazione di materiali su superfici più ampie.
I risultati dei test sulle fibre autoalimentate
Le prove sperimentali hanno mostrato risultati promettenti. Il nanogeneratore triboelettrico ottimizzato ha raggiunto una tensione a circuito aperto di 290 volt, una corrente di cortocircuito di 7,5 microampere e una densità di potenza massima di 1,23 watt per metro quadrato.
Il dispositivo ha inoltre mantenuto un’uscita stabile dopo 30.000 cicli di contatto e separazione, un risultato che fornisce indicazioni sulla sua resistenza durante il funzionamento ripetuto. Il principio alla base della tecnologia è la triboelettricità: quando due materiali differenti entrano in contatto e vengono successivamente separati, si generano cariche elettriche che possono essere raccolte e trasformate in energia.
Una serratura intelligente alimentata dai sensori
Per dimostrare le potenzialità applicative della tecnologia, i ricercatori hanno realizzato una serratura intelligente dotata di una tastiera composta da 12 sensori triboelettrici. Ogni tasto genera un segnale elettrico quando viene premuto, consentendo al sistema di riconoscere la password inserita.
I dodici sensori sono stati organizzati in una griglia di tre righe e quattro colonne e collegati a un microcontrollore Arduino Mega. Il sistema distingue gli inserimenti corretti da quelli errati e controlla il meccanismo di chiusura.
L’esperimento dimostra che il materiale può essere utilizzato non soltanto per recuperare energia, ma anche per realizzare sensori autoalimentati per le interfacce uomo-macchina. Il rilevamento della pressione sui tasti, infatti, non richiede una fonte di alimentazione esterna.
Le prospettive per l’elettronica e i dispositivi wearable
La combinazione tra spray coating e triboelettricità potrebbe semplificare lo sviluppo di componenti destinati a piccoli dispositivi elettronici, sensori intelligenti e sistemi flessibili. La possibilità di produrre materiali funzionali senza apparecchiature ad alta tensione rappresenta un vantaggio rispetto ai processi convenzionali, che richiedono più passaggi di lavorazione.
La ricerca, guidata da Eun-Ho Sohn e Ju Hyeon Kim del Korea Research Institute of Chemical Technology e dal professor Jin Woo Bae della Korea University of Technology and Education, indica una possibile strada per realizzare nanogeneratori più semplici da fabbricare. Le prestazioni misurate e il prototipo della serratura costituiscono le prime dimostrazioni sperimentali del potenziale della soluzione sviluppata.
Fonte: TechXplore
