Gerador Nanomecânico Triboelétrico de Fibras Core-Shell Tecidas em 2D Converte Movimento Corporal em 6 V e 575 nA para Alimentar LEDs e Capacitores

Resumo

A eletrônica vestível demanda fontes de energia compactas e autônomas capazes de aproveitar a energia cinética ambiente. Apresentamos um gerador nanomecânico triboelétrico tecido em 2D (2DW-WTNG) construído a partir de fibras core-shell que convertem o movimento humano em eletricidade. O dispositivo entrega tensão de pico de 6,35 V e corrente de pico de 575 nA, correspondendo a uma densidade de potência de 2,33 mW m⁻² sob carga de 50 MΩ. Notavelmente, gera carga a partir de deslocamentos tão pequenos quanto 0,4 mm e opera continuamente por 12 h sem perda de desempenho.

Introdução

Dispositivos portáteis, vestíveis e implantáveis proliferaram, porém as baterias convencionais ficam aquém em capacidade, vida útil e impacto ambiental. Aproveitar a energia mecânica inerente às atividades humanas diárias oferece uma alternativa sustentável. Geradores nanomecânicos triboelétricos (TENGs) convertem a separação de carga induzida por contato e a indução eletrostática em eletricidade utilizável. Embora existam diversos projetos de TENG, muitos dependem de substratos frágeis que comprometem a durabilidade. Nosso 2DW-WTNG elimina essa limitação integrando fibras condutoras core-shell diretamente em um tecido, permitindo produção robusta e escalável.

Métodos

Fabricação de Fibras Compostas Core-Shell

Combinamos fios de nylon de costura (110 µm) com fios de cobre esmaltado (60 µm) e fios de poliéster de costura (200 µm) com fios de aço (60 µm) usando um suporte rotativo que imita a torção manual. O processo produz fibras de nylon/cobre com 380 µm de diâmetro e fibras de poliéster/aço com 385 µm, cada uma apresentando um núcleo metálico envolto por uma bainha polimérica. O núcleo de cobre é isolado para evitar curto-circuitos, enquanto o núcleo de aço fornece resistência estrutural.

Tecelagem do 2DW-WTNG

Quatro grupos de fibras de nylon/cobre e quatro grupos de fibras de poliéster/aço foram entrelaçados ortogonalmente para formar uma área ativa de 15 mm × 15 mm com largura de grade de 7 mm. O tecido resultante assemelha-se a têxteis convencionais, tornando-o compatível com teares industriais para produção em massa.

Caracterização Elétrica

O dispositivo foi acionado por um motor linear, movendo a camada superior contra a inferior em movimento de deslizamento recíproco. Corrente e tensão de saída foram registradas sob variadas velocidades de deslizamento, deslocamentos e orientações relativas.

Resultados e Discussão

O contato de deslizamento entre nylon (triboeletricamente positivo) e poliéster (triboeletricamente negativo) gera transferência de carga alternada, impulsionando elétrons entre as duas camadas de eletrodos. Saídas de pico de 575 nA e 6,3 V foram alcançadas a 8 mm de deslocamento e velocidade de 0,15 m s⁻¹. A densidade de potência atingiu 2,33 mW m⁻² quando conectado a um resistor de 50 MΩ.

O aumento da velocidade de deslizamento elevou os valores de pico: a 0,125 m s⁻¹, a corrente subiu para 415 nA e a tensão para 6,6 V. Deslocamentos menores, de até 0,4 mm, ainda produziram saídas mensuráveis (2,3 nA, 0,05 V), demonstrando sensibilidade a movimentos humanos mínimos.

O dispositivo manteve desempenho em várias orientações no plano, entregando 134 nA e 2,23 V a um ângulo relativo de 50°, confirmando sua adaptabilidade a movimentos corporais arbitrários.

Quando conectado a um retificador de ponte, o 2DW-WTNG alimentou imediatamente um LED vermelho e carregou um capacitor de 0,47 µF até 1,84 V em 1 min, armazenando 3,84 mC m⁻². Operação contínua por 12 h mostrou degradação negligenciável, ressaltando sua resiliência mecânica.

Conclusões

O 2DW-WTNG demonstra uma plataforma escalável e durável para colheita de energia do movimento humano. Sua arquitetura de fibras core-shell e design tecido fornecem alta tensão, corrente suficiente para eletrônica de baixa potência e operação robusta sob direções de movimento variadas. Esta tecnologia abre caminho para dispositivos vestíveis verdadeiramente autônomos.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Dados e análises estão disponíveis junto aos autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

2DW-WTNG

Gerador nanomecânico triboelétrico vestível tecido em 2D

AC

Corrente alternada

DC

Corrente contínua

LED

Diodo emissor de luz

SEM

Microscópio eletrônico de varredura

WTNG

Gerador nanomecânico triboelétrico vestível