Nanogerador Triboelétrico à base de papel de amido para detecção de transpiração humana

Resumo

Um papel de amido descartável e ecológico foi usado para fabricar um nanogerador triboelétrico (TENG) para a detecção da transpiração humana. Usando materiais econômicos e comercialmente acessíveis, o TENG à base de papel de amido (S-TENG) pode ser obtido por meio de um método de fabricação rápido e simples. O desempenho de saída varia com o conteúdo de água absorvida, que pode ser utilizado para a detecção da transpiração humana. A estrutura do amido pode ser decomposta em água em 4 min. Os S-TENGs propostos têm um potencial considerável no campo da eletrônica vestível verde.

Introdução

Os atrativos atributos da eletrônica flexível, por exemplo, sua flexibilidade mecânica extensível / dobrável, pequeno volume e biodegradabilidade, devem desempenhar um papel fundamental no uso descartável associado à segurança eletrônica, biossensores, embalagem inteligente e cartões de visita [1 , 2,3]. Na verdade, a eletrônica flexível que usa substratos descartáveis tem atraído considerável atenção, devido à sua biocompatibilidade, solubilidade química e compatibilidade ambiental. Vários dispositivos flexíveis e descartáveis foram, portanto, usados para a fabricação de eletrônicos vestíveis [4,5,6], incluindo dispositivos dinâmicos de auto-alimentação e sensores inteligentes. Em geral, uma fonte de alimentação adicional é necessária para operar esses tipos de eletrônicos vestíveis. No entanto, as séries de baterias tradicionais (ou seja, não portáteis, não biocompatíveis e não sustentáveis) precisam de um fornecimento constante de energia química. O desenvolvimento de uma fonte de alimentação adequada é, portanto, essencial para superar os desafios associados aos dispositivos eletrônicos vestíveis.

O nanogerador triboelétrico (TENG) tem sido extensivamente investigado na área de captação de energia [7,8,9,10,11,12]. Um TENG pode converter energia mecânica derivada do ambiente em energia elétrica e representa uma nova fonte de energia, baseada nos processos de eletrificação de contato e indução de um campo eletrostático [13,14,15,16,17]. Padrões apropriados desses dispositivos têm sido amplamente empregados para fornecer energia a dispositivos eletrônicos vestíveis [18,19,20,21]. Além disso, combinando TENGs com diferentes tipos de fontes triboelétricas, um sensor autoalimentado para várias aplicações poderia ser obtido [22,23,24,25]. No entanto, a maioria dos TENGs tradicionais é baseada em materiais ecológicos, por exemplo, polímeros que são difíceis de decompor. Portanto, esses TENGs podem ser usados apenas em uma base limitada em aplicações futuras.

O amido é uma matéria-prima promissora para o desenvolvimento de substratos decomponíveis, pois é mais barato que as outras alternativas, encontradas em abundância e renováveis. Aqui, ilustramos os dispositivos TENG descartáveis baseados em papéis de amido biodegradáveis e ecológicos. Todos os materiais empregados são econômicos e estão disponíveis comercialmente. O TENG à base de papel de amido (S-TENG) pode ser construído por meio de um processo simples em que o papel de amido é montado com um fio de metal. O TENG construído pode ser empregado como um sensor de suor humano com alimentação própria. Além disso, o TENG proposto tem potencial para aplicação na área de eletrônicos vestíveis.

Método

Montagem do S-TENG

O papel de amido (espessura:~ 1 mm) foi obtido na GILRO Corp. (Israel). Um lado do papel é conectado a um fio metálico e, em seguida, pulverizado com vapores de água, resultando no S-TENG. O mecanismo de fabricação, que é demonstrado esquematicamente na Fig. 1, pode ser classificado como simples e de baixo custo.

Esquema do processo de montagem S-TENG

Medições e demonstração humana

O desempenho eletrônico foi medido com um osciloscópio digital (DSOX6004A Digital Storage Oscilloscope). O S-TENG fabricado (4,4 × 4,4 cm ² ) foi conectado a um cotovelo humano (fio de metal voltado para o ser humano). Além disso, o sinal de saída do S-TENG foi medido por várias durações de movimento biomecânico humano.

Resultados e discussão

O mecanismo de funcionamento do S-TENG é esquematicamente mostrado na Fig. 2c. O dispositivo proposto é baseado no efeito de acoplamento entre a mão humana e o papel amido. Quando há contato físico entre a mão e o papel, o papel adquire cargas negativas em sua superfície, enquanto a mão adquire cargas positivas. Além disso, uma vez que a mão é liberada, a área de sobreposição entre a mão e o papel carregado diminui e as cargas no papel não são mais totalmente equilibradas pelas da mão. As cargas negativas instáveis na superfície do amido forçam um fluxo de elétrons para o solo a partir do eletrodo posterior do papel. No entanto, quando a mão se aproxima do papel novamente, as cargas positivas induzidas no eletrodo traseiro se tornam instáveis e forçam o fluxo de elétrons para o solo.

a Um filme de água começa a se formar em torno do lado do eletrodo do papel de amido, b uma rede de água é formada, c o mecanismo de funcionamento do S-TENG

Os resultados indicam que o estado de trabalho do S-TENG pode ser separado em dois padrões de trabalho, com base na quantidade de vapor de água absorvido pelo papel de amido. O conceito de transferência de carga é ilustrado, usando o estado mostrado na Fig. 2cII como exemplo. Conforme mostrado na Fig. 2a, no padrão de trabalho 1, um filme de água é inicialmente formado em torno do lado do eletrodo do papel. Apesar disso, as cargas ainda ficam parcialmente presas na película irregular de água, formando uma barreira potencial que dificulta a movimentação dos portadores. No entanto, no padrão de trabalho 2, uma rede de água é criada (Fig. 2b), e a resistência eletrônica do lado do eletrodo que compreende o papel de amido é bastante reduzida.

Uma fotografia do S-TENG fabricado é mostrada na Fig. 3a. Um resistor adaptável foi empregado como carga externa e, para diferentes tempos de pulverização do vapor d'água, um osciloscópio foi utilizado para medir os sinais eletrônicos do resistor. A Figura 3b mostra o desempenho eletrônico do S-TENG após a primeira pulverização. Conforme mostrado na figura, o aumento na resistência de carga (de 100 a 100 MΩ) produz um aumento constante na tensão de saída coletada. No entanto, a potência de saída máxima é atingida com uma resistência de carregamento de 15 MΩ e, portanto, a resistência interna do TENG fabricado é de ~ 15 MΩ. A tensão de saída (ou seja, 11,2 V) sob uma resistência de carregamento de 100 MΩ é aproximada como a tensão de circuito aberto, visto que a resistência de carregamento é consideravelmente maior do que o valor aproximado da resistência interna. A estabilidade de operação do papel fabricado TENG foi então determinada. Como mostra a Fig. 4, a tensão de saída (resistência de carregamento:100 MΩ) do dispositivo fabricado diminui apenas ligeiramente durante um teste de força vertical.

a Fotografia e b saída eletrônica do S-TENG fabricado

Teste de força vertical do S-TENG fabricado. A tensão de saída diminui apenas ligeiramente sob uma resistência de carregamento de 100 MΩ

O papel de amido exibia resistências de folha de 19 MΩ, 6,1 MΩ, 1,5 MΩ, 140 KΩ e 130 KΩ antes da pulverização de água e após a 1ª, 3ª, 5ª e 7ª pulverização, respectivamente. As atividades eletrônicas correspondentes do S-TENG são comparadas, como mostrado na Fig. 5. A tensão de saída (submetida a uma carga conforme de 100 MΩ) aumenta com o aumento dos tempos de pulverização 0–3 (padrão de trabalho 1) e torna-se saturada na pulverização vezes acima da 3ª pulverização (padrão de trabalho 2). A detecção de líquidos à base de água, por exemplo, a transpiração humana, é garantida, devido à correlação entre a tensão eletrônica e a quantidade de vapor d'água. Esta correlação pode ser caracterizada por meio de mudanças na resistência interna do S-TENG. A redução da resistência interna do S-TENG é promovida pelo uso de vapor d'água, uma vez que a introdução de água reduz a capacidade de resistência eletrônica do papel amido. Essa diminuição resulta da formação de caminhos condutores de água na superfície e dentro do papel. Além disso, este impacto torna-se particularmente aparente quando uma película de água começa a se formar em torno do lado do eletrodo do papel (padrão de trabalho 1). Além disso, a saída eletrônica que ocorre antes da pulverização de água origina-se principalmente da água ligada às células de grãos (resultando em uma condução eletrônica fraca para os transportadores).

Dependência da tensão de saída do número de etapas de pulverização de água

O S-TENG proposto tem sido usado para a detecção da transpiração humana. Conforme mostrado na Fig. 6a, o S-TENG é conectado ao cotovelo humano após diferentes durações de movimento do corpo. Posteriormente, a camada exposta da pele humana é limpa com uma toalha seca e segue-se o movimento do cotovelo (Fig. 6; a saída eletrônica coletada é mostrada na Fig. 6c). A tendência observada é semelhante à mostrada na Fig. 5, ou seja, do ponto de vista da correlação entre a saída eletrônica (carga conforme:100 MΩ) e a duração do movimento humano. Os resultados indicam que o S-TENG proposto pode ser empregado para detectar a transpiração humana e monitorar o tempo de movimento humano.

O a , b padrão de trabalho para coletar energia de movimento do cotovelo humano, c saída eletrônica (sujeita a uma carga correspondente de 100 MΩ) versus tempo de movimento humano

Os atributos de descartabilidade do papel de amido foram determinados avaliando a atividade de dissolução, como mostrado na Fig. 7. Durante esta determinação, o papel foi imerso em água da torneira sob vibração suave pela mão humana, conforme ilustrado na Fig. 7a, por várias durações (ver Fig. 7b-e). O papel de amido se quebrou completamente em 4 min, indicando que o S-TENG proposto pode ser totalmente degradável.

a Testes de degradabilidade realizados mergulhando papel de amido em água, b imediatamente e depois de b 1, c 2, d 3, e e 4 min

Conclusão

Neste trabalho, uma nova e simples metodologia para a fabricação de dispositivos descartáveis TENG empregando papéis de amido biodegradáveis ecologicamente corretos é apresentada. O processo rápido e simples para construir o S-TENG utiliza materiais econômicos e comercialmente acessíveis. A estrutura do amido pode ser decomposta em pó em água em 4 min. O TENG proposto tem um potencial considerável no campo da eletrônica vestível.

Abreviações

TENG:: Nanogerador triboelétrico

Fabricação controlável de sondas AFM Au-Coated por meio de um procedimento de química úmida Síntese e caracterização de zeólitos ZSM-5 hierárquicos com mesoporosidade excepcional e excelentes propriedades catalíticas

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias