Aprimoramento da Coleta de Energia Triboelétrica: Uma Revisão Abrangente das Técnicas de Polarização Dielétrica

Introdução

Dispositivos piezoelétricos, piroelétricos e triboelétricos têm atraído grande atenção como dispositivos de coleta de energia para geração de energia a partir de ambientes circundantes, como água, vento, luz, temperatura e vibração [1]. Além de fontes de energia, esses dispositivos podem ser usados como sensores autoalimentados para diversas aplicações, como peles eletrônicas, dispositivos de monitoramento de saúde e robótica [2]. Entre eles, dispositivos triboelétricos exibem desempenhos de saída relativamente mais altos quando um par de materiais triboelétricos é contatado [3,4,5,6]. Os sinais triboelétricos produzidos podem ser usados para operar diretamente dispositivos elétricos [7,8,9,10,11] ou monitorar estímulos mecânicos ou químicos nos dispositivos [4]. Dispositivos triboelétricos podem ser projetados de forma simples para fabricação simples, baixo custo, excelente desempenho de saída e flexibilidade quando comparados com outras tecnologias, o que é vantajoso para aplicações vestíveis autoalimentadas [12].

A triboeletricidade ocorre devido à eletrificação por contato e indução eletrostática entre materiais triboelétricos dissimilares. O contato mecânico induz cargas opostas compensadas em cada camada triboelétrica devido à eletrificação por contato, e a separação mecânica resulta no fluxo de corrente através do circuito externo por causa da indução eletrostática. Portanto, o desempenho de saída triboelétrico é diretamente afetado pelas cargas superficiais nas camadas triboelétricas.

Para altos desempenhos de saída triboelétricos, a geração eficiente de carga superficial durante a eletrificação por contato e a transferência eficaz de carga durante a indução eletrostática são necessárias. Portanto, é crucial selecionar materiais adequados de par de contato triboelétrico e projetar estruturas de dispositivo ótimas. Com base em seu mecanismo de funcionamento, quatro tipos diferentes de dispositivos triboelétricos consistindo de materiais dielétricos como camadas triboelétricas foram relatados [5]. Existem duas categorias de dispositivos triboelétricos baseadas nos tipos de materiais de par de contato triboelétrico: dispositivos de modo de contato dielétrico-dielétrico e condutor-dielétrico (Fig. 1a) [13]. No primeiro, duas placas dielétricas, com espessuras d₁ e d₂, bem como constantes dielétricas relativas ε_r,1 e ε_r,2, respectivamente, são empilhadas face a face como camadas triboelétricas, e as camadas de eletrodos são depositadas nas superfícies dielétricas externas. A distância (x) entre as duas camadas triboelétricas varia sob uma força mecânica periódica.

Dispositivo triboelétrico baseado em dielétrico e polarização dielétrica: a Modelos teóricos para modos de contato de placas paralelas e diagrama de circuito equivalente para TENG dielétrico-dielétrico e condutor-dielétrico (Reproduzido da Ref. [21]. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). b Parte real (ε') e parte imaginária (ε") da constante dielétrica em função da frequência em um polímero com mecanismos de polarização interfacial, orientacional, iônica e eletrônica (Reproduzido com permissão da Ref. [32, 33]. Copyright 2012 American Chemical Society)

Subsequentemente, as superfícies das camadas triboelétricas contatadas têm cargas superficiais opostas, mas com a mesma densidade (σ) através da eletrificação por contato. Quando as camadas triboelétricas começam a se separar devido ao aumento da distância, uma diferença de potencial (V) é induzida entre os dois eletrodos pelas quantidades de cargas positivas/negativas transferidas (+Q/–Q). De forma semelhante, no modo de contato condutor-dielétrico sem a camada dielétrica 1, o metal 1 é usado tanto como a camada triboelétrica superior quanto como o eletrodo superior. Nesta estrutura de dispositivo, existem duas partes de cargas no metal 1: as cargas triboelétricas (\(S \times \sigma\)) e as cargas transferidas entre os dois eletrodos (–Q), levando a (\(S\sigma - Q\)) de cargas totais no metal 1. Considerando os dispositivos triboelétricos de modo de contato mencionados acima, o desempenho de saída pode ser derivado com base na eletrodinâmica da seguinte forma [13]:

A espessura dielétrica efetiva d₀ é definida como a soma de todas as espessuras do dielétrico d_i dividida por sua permissividade relativa ε_r,i. Com base na Eq. 2, o desempenho triboelétrico é diretamente afetado pela densidade de carga superficial (\(\sigma\)) das camadas dielétricas.

Anteriormente, a modificação de superfície de materiais triboelétricos ou a introdução de materiais altamente dielétricos foi relatada para aumentar a densidade de carga superficial. A modificação de superfície, como o controle da morfologia superficial [14,15,16,17] ou a introdução de íons carregados [18,19,20,21], aumenta a densidade de carga superficial ampliando a área superficial ou a polaridade triboelétrica entre as camadas de par triboelétrico. Além do ajuste da propriedade superficial, um aumento na constante dielétrica pode melhorar a capacitância da camada dielétrica, resultando em um aumento na densidade de carga superficial [6, 22, 23]. Em um modelo de capacitor de placas paralelas, a densidade de carga superficial pode ser relacionada à capacitância da camada dielétrica da seguinte forma [23,24,25]:

onde C e S indicam a capacitância e a área de contato, respectivamente. Da Eq. 3, como a capacitância (C), que é um fator capaz de melhorar a densidade de carga superficial em um dispositivo triboelétrico de modo de contato dielétrico [6], aumenta com a constante dielétrica e/ou a redução da espessura da camada dielétrica, a densidade de carga superficial é diretamente proporcional à razão entre a constante dielétrica e a espessura (ε/d). De forma semelhante, no dispositivo triboelétrico, a capacitância da camada tribo-dielétrica pode ser expressa a partir da Eq. 2 como:

Por exemplo, o uso de uma camada dielétrica porosa em um dispositivo triboelétrico é uma maneira eficiente de aumentar significativamente a razão ε/d ao aumentar simultaneamente a constante dielétrica e diminuir a espessura quando a camada dielétrica é pressionada sob pressão externa, aumentando assim significativamente a densidade de carga superficial [17, 23, 26, 27] mesmo quando as mesmas camadas triboelétricas são usadas. Portanto, a constante dielétrica da camada triboelétrica é um fator eficaz para melhorar a densidade de carga superficial melhor do que o potencial superficial determinado pela seleção de materiais de par triboelétrico.

Embora a constante dielétrica de um material triboelétrico seja um fator importante no aprimoramento dos desempenhos triboelétricos, não houve discussões abrangentes sobre os princípios e estratégias para aumentar a constante dielétrica. Anteriormente, várias excelentes revisões sobre dispositivos triboelétricos, incluindo materiais triboelétricos e seus mecanismos de funcionamento, foram relatadas [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; no entanto, apenas alguns estudos sobre dispositivos triboelétricos induzidos por dielétrico foram relatados até o momento. Aqui, introduzimos os fundamentos da polarização dielétrica e demonstramos que os desempenhos de saída de dispositivos triboelétricos podem ser significativamente controlados e aprimorados pelo design de materiais dielétricos com polarização dielétrica controlada.

Polarização Dielétrica para Desempenho Triboelétrico Aprimorado

A constante dielétrica (ou permissividade relativa) é definida como um fator pelo qual o campo elétrico aplicado é diminuído através da polarização dielétrica dos materiais, que pode ser aprimorada pela engenharia de materiais dielétricos através da introdução de aditivos dielétricos ou modificação de estruturas químicas, levando a diversos fenômenos dielétricos. A polarização dielétrica pode ser dividida em polarização eletrônica, vibracional (ou atômica), orientacional (ou dipolar), iônica e interfacial (Fig. 1b) [30,31,32,33]. Polarizações eletrônica e atômica são induzidas pela distorção de elétrons negativos e núcleos positivos em um átomo em direção oposta ao campo elétrico externo, adquirindo momentos de dipolo elétrico, que ocorrem no regime de ressonância acima de frequências infravermelhas (> 100 GHz). Como materiais baseados em polarização, como semicondutores, não têm perda dielétrica abaixo de 1 GHz, eles são os mais desejados para aplicações práticas variando de alguns Hz a 1 GHz. No entanto, a maioria dos polímeros orgânicos exibe constantes dielétricas mais baixas (< 10) do que materiais semicondutores devido à natureza intrínseca de sua ligação molecular, que não pode induzir polarização eletrônica e atômica. Para induzir ainda mais polarizações eletrônicas e atômicas nos polímeros, as estruturas de cadeia polimérica devem envolver átomos maiores com elétrons polarizáveis, como Si, Ge ou Sn, do que as composições poliméricas básicas [34,35,36]. Embora polímeros baseados em Si, como polissiloxanos ou seus derivados, sejam sintetizados, a constante dielétrica não é maior que 3-4. Portanto, é difícil aumentar a polarização eletrônica/atômica em polímeros isolantes.

Em polímeros, enquanto as polarizações eletrônica e atômica são limitadas para aumentar a constante dielétrica devido à estrutura de ligação molecular intrínseca, as outras polarizações dipolar, iônica e interfacial podem ser utilizadas para melhorar a constante dielétrica. A polarização dipolar (orientacional) é causada pela reorientação de momentos de dipolo molecular permanentes nos polímeros ou nanocompósitos incluindo nanopartículas ou grupos dipolares, que é afetada pelas estruturas de fase (amorfas ou cristalinas), temperatura e frequência (geralmente < 10 MHz) [32, 33]. A modificação de estruturas de dipolo permite a preparação de polímeros de vidro dipolar, ferroelétricos e ferroelétricos relaxores [30]. Por exemplo, a orientação de dipolo de derivados de fluoreto de polivinilideno (PVDF) leva à formação de uma fase β, aumentando assim a constante dielétrica, o que aprimora o desempenho triboelétrico [37, 38]. A polarização iônica pode ser causada por deslocamentos relativos entre íons carregados positiva e negativamente sob uma força externa [30, 39]. Portanto, polímeros com componentes iônicos podem ser usados para melhorar o desempenho capacitivo através da polarização iônica. Por exemplo, os componentes iônicos (ex.: NaCl e LiCl) em hidrogéis são polarizados sob um campo externo, levando à formação de camadas duplas elétricas, o que resulta na melhoria do desempenho triboelétrico [40,41,42,43]. A polarização interfacial é induzida pela reorganização de cargas espaciais em interfaces em compostos dielétricos [30, 31]. Portanto, a polarização interfacial é observável em todos os sistemas dielétricos multicomponentes, incluindo polímeros semicristalinos, misturas de polímeros ou nanocompósitos com nanoenchimentos de alto-k ou condutores. Recentemente, nanocompósitos de polímero com nanopartículas de alto-k, que melhoram a constante dielétrica líquida, levando ao aumento da densidade de carga superficial e, assim, do desempenho triboelétrico, têm sido utilizados em dispositivos triboelétricos [23, 44, 45]. Nas seções a seguir, introduzimos alguns exemplos para demonstrar o aprimoramento do desempenho de saída triboelétrico através do aumento da constante dielétrica.

Polarização Interfacial em Compósitos de Nanopartículas de Alta Permissividade/Polímero

Nanopartículas de alta permissividade são utilizadas para melhorar as constantes dielétricas de nanocompósitos de polímero devido à polarização na interface entre o polímero e as nanopartículas. Como nanomateriais inorgânicos (ex.: nanopartículas e nanofios de titanato de bário (BaTiO₃)) ou condutores (ex.: nanopartículas metálicas, nanotubos de carbono e grafeno) são amplamente empregados em matrizes poliméricas para aumentar a constante dielétrica líquida, compósitos de polímero com vários aditivos têm constantes dielétricas mais altas do que polímeros base, levando a desempenhos triboelétricos melhorados. Chen et al. prepararam um filme de PDMS (polidimetilsiloxano) tipo esponja, incluindo nanopartículas de alto-k (SiO₂, TiO₂, BaTiO₃ e SrTiO₃), para aprimorar desempenhos triboelétricos (Fig. 2a) [23]. Como o SrTiO₃ exibe maior permissividade que os outros, o PDMS com SrTiO₃ exibe uma constante dielétrica mais alta. Isso também pode ser causado pela polarização de carga espacial na interface entre o PDMS e as partículas de SrTiO₃. Notavelmente, o desempenho de saída triboelétrico é melhorado pelo aumento da capacitância através do aumento de ε_r/d_PDMS durante o processo de contato. Além de nanopartículas dielétricas, diferentes tipos de materiais de alta permissividade, como BaTiO₃ dopado com Al e CaCu₃Ti₄O₁₂, são aplicados nas camadas triboelétricas, levando a uma constante dielétrica melhorada e ao desempenho triboelétrico resultante (Fig. 2b) [44, 45]. Por outro lado, a adição de materiais condutores permite a formação de estruturas de microcapacitores na matriz polimérica, que podem induzir acúmulo de carga espacial na interface entre a matriz polimérica e os aditivos. Este tipo de polarização interfacial é causado pela maior diferença de condutividade entre o polímero e aditivos condutores.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização interfacial em compósitos de nanopartículas de alta permissividade/polímero: a Nanogerador triboelétrico baseado em compósito de nanopartículas dielétricas/PDMS esponja (Reproduzido com permissão da Ref. [23]. Copyright 2016 American Chemical Society). b Nanogerador triboelétrico de modo separação-contato com filmes compósitos de P(VDF-TrFE) e PDMS-partícula dielétrica de alta permissividade como camadas de atrito (Reproduzido da Ref. [45]. Copyright 2018 Royal Society of Chemistry)

Portanto, compósitos de polímero com materiais baseados em metal ou carbono exibem constantes dielétricas aumentadas em comparação a polímeros puros, levando ao aumento da densidade de carga superficial e do desempenho triboelétrico resultante (Fig. 3) [6, 46]. Embora compósitos de polímero de alta permissividade sejam amplamente usados como materiais triboelétricos negativos, existem algumas limitações quanto ao aprimoramento do desempenho de saída: (1) Existe uma proporção otimizada de aditivos na matriz polimérica porque aditivos excessivos causam corrente de fuga [46, 48] ou área de atrito superficial reduzida [23, 49], resultando em diminuição do desempenho de saída. (2) Os aditivos devem ser dispersos homogeneamente na matriz polimérica para melhorar a polarização interfacial porque nanopartículas agregadas interrompem a polarização interfacial através da redução da área interfacial entre o polímero e as nanopartículas.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização interfacial em compósitos de polímero com materiais baseados em metal ou carbono: a Nanogerador triboelétrico baseado em compósito GPs@PDMS (Reproduzido da Ref. [82]. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). b Nanogerador triboelétrico baseado em inclusão de metal líquido com pilhas dielétricas em sanduíche (Reproduzido da Ref. [48]. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry)

Polarização Interfacial em Filmes Poliméricos Multicamadas

Para compósitos de nanopartículas/polímero de fase aleatória, a polarização interfacial é difícil de controlar porque é necessário controlar precisamente a quantidade e dispersão de nanopartículas [30]. Em dielétricos multicamadas, a polarização interfacial pode ser facilmente controlada porque todas as interfaces são perpendiculares ao campo elétrico, resultando em acúmulo uniforme de carga espacial nas interfaces multicamadas e constante dielétrica aprimorada. Dielétricos poliméricos multicamadas têm sido amplamente investigados para aumentar sua constante dielétrica via polarização interfacial entre camadas poliméricas dissimilares [50]. A polarização interfacial ocorre quando as cargas espaciais (elétrons e íons) são acumuladas na interface entre dois materiais dissimilares com grandes contrastes em permissividade e condutividade elétrica sob um campo externo [30]. Kim et al. [51] e Feng et al. [52] demonstraram o efeito de filmes bicamadas com uma diferença maior na permissividade relativa no desempenho de saída triboelétrico (Fig. 4a,b). A adição de camadas dielétricas de menor permissividade entre a camada condutora e o eletrodo causa aprisionamento ou armazenamento de carga no filme dielétrico, levando a um aumento na densidade de carga. O acúmulo de carga pode ser causado pelo aumento da polarização na interface de filmes bicamadas através da grande diferença na permissividade ou condutividade entre PVDF e filmes isolantes. Por outro lado, nosso grupo demonstrou o efeito de um filme bicamada consistindo de polímeros com diferentes unidades de flúor e camadas isolantes de tereftalato de polietileno (PET) no desempenho de saída (Fig. 4c) [53]. Notavelmente, polímeros fluorados com três unidades de flúor na cadeia lateral (poli(2,2,2-trifluoroetil metacrilato), PTF) são revestidos em substratos de PET com menor constante dielétrica, aumentando assim a constante dielétrica, causada pela polarização interfacial melhorada na interface entre o PTF semicristalino e o PET. Consequentemente, o PTF-PET exibiu um desempenho triboelétrico mais alto do que os outros filmes de polímeros fluorados. Com base nos resultados mencionados, filmes dielétricos multicamadas heterogêneos podem ser um design robusto para aprimorar o desempenho triboelétrico de dispositivos flexíveis ou vestíveis.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização interfacial em filmes poliméricos multicamadas: a Nanogerador triboelétrico consistindo de dupla camada PVDF/PDMS e dupla camada Nylon 6/PDMS com várias espessuras de intercamada de PDMS (Adaptado da Ref. [51]. Copyright 2018 Elsevier). b Nanogerador triboelétrico sem e com PI como camada de transição para armazenamento de carga (Adaptado da Ref. [52]. Copyright 2017 Elsevier). c Nanogerador triboelétrico bicamada baseado em polímeros fluorados com diferentes tipos de unidades de flúor (Reproduzido da Ref. [53]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarização Iônica em Géis Poliméricos Iônicos

Na matriz polimérica incluindo componentes iônicos, exceto íons de impureza, a polarização iônica promove a formação de uma camada dupla elétrica (CDE) na interface entre o eletrolito polimérico e o eletrodo, levando ao aumento da constante dielétrica [30, 39, 54]. A polarização é frequentemente utilizada em dispositivos de armazenamento de energia, como capacitores (ex.: supercapacitores ou capacitores CDE) e baterias [55]. De acordo com a equação de Helmholtz, a capacitância pode ser expressa como C ≈ kε₀/λ, onde k, ε₀, e λ são a constante dielétrica efetiva da CDE, permissividade do vácuo e comprimento de blindagem de Debye (ou espessura da camada dupla), respectivamente. Em um dispositivo triboelétrico, componentes iônicos, como pares iônicos simétricos ou assimétricos e líquidos iônicos, em materiais poliméricos são frequentemente empregados. Como o álcool polivinílico (PVA) é um tipo de material triboelétrico negativo devido aos grupos hidroxila na cadeia principal do polímero, ele pode interagir com diferentes tipos de pares iônicos. Quando um campo elétrico externo é aplicado, a polarização iônica pode ocorrer devido aos deslocamentos relativos entre íons positivos e negativos, contribuindo para a formação de CDE na interface entre as camadas triboelétricas. Ryu et al. [43] prepararam eletrolitos poliméricos sólidos (SPEs) baseados em PVA com íons simétricos ou assimétricos como camadas triboelétricas positivas ou negativas, respectivamente (Fig. 5a). Após o processo de contato com PVA puro, diferentes potenciais superficiais foram medidos sistematicamente pelo efeito de diferentes tipos de dopagem iônica. Por exemplo, os SPEs tornam-se materiais triboelétricos negativos ou positivos após a adição de ácido fosfórico (H₃PO₄) com mais cátions que ânions ou cloreto de cálcio (CaCl₂) com mais ânions que cátions, respectivamente, porque os cátions ou ânions criam estados de carga eletrônica adicionais ou desocupados. Praticamente, mostra-se que um condutor iônico consistindo de PVA com solução de borax ou poliacrilamida com cloreto de lítio é aplicado em aplicações de coleta de energia biomecânica e sensoriamento tátil, que aprimora desempenhos triboelétricos através da formação de CDE (Fig. 5b) [41, 42, 56]. De forma semelhante, Zou et al. [40] fabricaram um nanogerador elástico biomimético consistindo de um elastômero Ecoflex e solução de cloreto de sódio (NaCl) inspirado na estrutura de canais iônicos na citomembrana do eletrólito em uma enguia elétrica. Combinando os efeitos de triboeletrificação através de líquido fluindo e indução eletrostática através de íons polarizados, o dispositivo colhe energia mecânica de movimento humano subaquático com tensão de circuito aberto acima de 10 V. Além disso, Lee et al. [56] investigaram o desempenho triboelétrico quando um nanogerador foi conectado a uma unidade de gel iônico composta por um líquido iônico e poli(fluoreto de vinilideno-co-hexafluoropropileno), criando um perfil de tensão amplo e lento devido ao grande tempo de relaxamento dos íons polarizados (Fig. 5c). Dispositivos triboelétricos baseados em gel iônico permitem a fabricação de dispositivos vestíveis ultraestiráveis, transparentes e à prova d'água, embora os dispositivos devam ser encapsulados pela matriz elastomérica para evitar vazamento de íons.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização iônica em um gel polimérico iônico: a Nanogerador triboelétrico SPE baseado em PVA com diferentes tipos de íons (Reproduzido com permissão da Ref. [43]. Copyright 2017 Wiley–VCH). b Nanogerador triboelétrico macio semelhante à pele que permite tanto coleta de energia biomecânica quanto sensoriamento tátil por hibridização de elastômero e hidrogel iônico (PAAm-LiCl) como camada de eletrificação e eletrodo, respectivamente (Reproduzido sob os termos da licença CC-BY-NC 4.0. Ref. [41]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science). c Sistema triboelétrico-gel iônico, que consiste no nanogerador triboelétrico e unidades de gel iônico (Reproduzido da Ref. [56]. Copyright 2018 Elsevier)

Polarização Dipolar em Derivados Ferroelétricos de PVDF

A polarização dipolar (orientacional) é outra estratégia para aumentar a constante dielétrica com baixa perda dielétrica, causada pelo aumento do momento de dipolo através dos dipolos alinhados nas estruturas de fase das cadeias poliméricas. Exemplos típicos são PVDF e seus derivados. Os polímeros têm momentos de dipolo permanentes desde que a fase β unidirecional é formada, levando a um aumento na constante dielétrica e no desempenho triboelétrico resultante. Cheon et al. [37] demonstraram nanogeradores triboelétricos de alto desempenho baseados em nanofibras compósitos de PVDF-nanofio de prata (AgNW) (Fig. 6a). A introdução de AgNWs no PVDF aumenta a razão da fase β para a fase α através da interação entre AgNWs e cadeias moleculares de PVDF, resultando em uma constante dielétrica melhorada, que permite o aprisionamento de carga na camada dielétrica PVDF-AgNW. Além das fontes metálicas, Seung et al. [38] introduziram nanopartículas semicondutoras (BaTiO₃) em uma matriz de copolímero ferroelétrico (poli(fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno), PVDF-TrFE) (Fig. 6b). O desempenho triboelétrico é significativamente aprimorado após o processo de polamento, que é mais de 150 vezes maior que o de nanogeradores triboelétricos típicos baseados em politetrafluoretileno. Diferente de nanocompósitos poliméricos heterogêneos, nosso grupo demonstrou recentemente o efeito de nanocompósitos ferroelétricos multicamadas no desempenho triboelétrico (Fig. 6c) [57]. Filmes dielétricos multicamadas consistindo de camadas alternadas de PVDF-TrFE e BaTiO₃ exibem uma constante dielétrica mais alta (17,1) do que o filme puro de PVDF-TrFE (13,9) e nanocompósito único de PVDF-TrFE/BaTiO₃ (15,9) devido à polarização interfacial entre as camadas de copolímero e nanopartículas, como explicado na seção sobre filme dielétrico multicamada (Fig. 4). Sequencialmente, o desempenho de saída triboelétrico aumenta em comparação aos filmes de camada única. Embora nanocompósitos de polímero ferroelétrico melhorem o desempenho de saída triboelétrico devido ao aumento da constante dielétrica através da alta polarização ferroelétrica, existe uma limitação no aumento do desempenho de saída devido ao limiar de percolação dos aditivos.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização dipolar em compósitos ferroelétricos de PVDF: a Nanogerador triboelétrico baseado no compósito PVDF-AgNW e nanofibras de nylon preparadas por métodos de eletrofiação (Reproduzido com permissão da Ref. [37]. Copyright 2018 Wiley–VCH). b Nanogerador triboelétrico baseado em compósito ferroelétrico (Reproduzido com permissão da Ref. [38]. Copyright 2017 Wiley–VCH). c Nanogerador triboelétrico baseado em multicamadas PVDF-TrFE/BTO (Reproduzido com permissão da Ref. [57]. Copyright 2020 American Chemical Society)

Por outro lado, o momento de dipolo pode ser modificado pela introdução de moléculas polares únicas [58], como –CN, –NO₂ e –SO₂–, ou polímeros polares [59,60,61], incluindo poliestireno, poli(2-hidroxietil metacrilato) e poli(metacrilamida de dopamina), que permitem a rotação de dipolos no volume livre dos polímeros, levando a uma melhoria na constante dielétrica. A polarização dipolar tem sido recentemente utilizada para aumentar a constante dielétrica de materiais triboelétricos anexando grupos polares com grandes momentos de dipolo à cadeia lateral dos polímeros [22]; Lee et al. demonstraram que o copolímero enxertado de PVDF aumentou notavelmente o desempenho de saída triboelétrico (Fig. 7). Poli(terc-butil acrilato) (PtBA) com diferentes razões de enxertia foi introduzido na cadeia de PVDF, levando a um momento de dipolo aprimorado por ligação π e grupos éster polares no PtBA, que melhorou a constante dielétrica e subsequentemente o desempenho de saída triboelétrico. Além do polímero enxertado, dielétricos poliméricos com domínios nanoestruturados aumentam a constante dielétrica pela polarizabilidade orientacional dipolar [62]. Embora materiais dielétricos baseados em polímero tenham algumas vantagens, como processabilidade em solução e flexibilidade, poucos estudos em que tal polarização em dispositivos triboelétricos é empregada foram relatados até agora.

Desempenhos triboelétricos aprimorados pela polarização dipolar em copolímero enxertado de PVDF: Nanogerador triboelétrico baseado em polímero enxertado PVDF. a Momentos de dipolo de PVDF puro e PVDF-g-PtBA e b suas propriedades dielétricas e desempenhos triboelétricos (Reproduzido sob os termos da licença CC-BY-NC 4.0. Ref. [22]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science)

Conclusões e Perspectivas

Dispositivos eletrônicos vestíveis e implantáveis autoalimentados são essenciais, especialmente desde o desenvolvimento da tecnologia Internet das Coisas (IoT). Como o efeito triboelétrico é um dos fenômenos mais frequentemente experimentados no cotidiano, dispositivos triboelétricos são um coletor de energia promissor para dispositivos vestíveis autoalimentados combinados com outros tipos de aplicações. No desenvolvimento da indústria IoT, dispositivos eletrônicos requerem miniaturização e multifuncionalidade, que precisam de altos desempenhos de saída. Embora dispositivos triboelétricos com altos desempenhos de saída tenham sido desenvolvidos empregando estruturas de dispositivo com modos de funcionamento combinados [63,64,65], é necessário aprimorar o desempenho de saída para múltiplos dispositivos.

Até agora, a pesquisa tem se concentrado no desenvolvimento de materiais de par triboelétrico (geralmente materiais triboelétricos negativos), enquanto materiais triboelétricos dielétricos raramente foram investigados. Como materiais dielétricos têm o potencial de aprimorar desempenhos triboelétricos de acordo com a relação entre a densidade de carga superficial e a constante dielétrica, a invenção de materiais triboelétricos baseados em vários mecanismos de polarização permite o desenvolvimento de dispositivos vestíveis de alta potência, que pode ser alcançado da seguinte forma:

1. 1.

   Como uma variedade de materiais dielétricos de alto-k foram sintetizados controlando o fator estrutural [66] ou dopagem química [67, 68], existem vários candidatos para aumentar a constante dielétrica de compósitos de polímero. Além disso, a modificação de superfície de nanomateriais dielétricos para dispersão homogênea na matriz polimérica [69, 70] e o controle da estrutura dielétrica (ex.: compósitos multicamadas heteroestruturados [30, 31, 71, 72] ou compósitos dielétricos com materiais condutores alinhados [73, 74]) têm sido investigados para aumentar propriedades dielétricas. No entanto, poucas abordagens foram utilizadas em dispositivos triboelétricos para aprimorar o desempenho de saída. A alta compatibilidade ou alinhamento de aditivos na matriz polimérica permitirá um aumento na área interfacial ou reduzirá a corrente de fuga, o que leva ao aumento da constante dielétrica e do desempenho de saída resultante.

2. 2.

   Além de nanocompósitos de polímero dielétrico, a modificação de estruturas de cadeia polimérica pode aprimorar as propriedades dielétricas devido à polarização dipolar através dos momentos de dipolo melhorados. Até agora, materiais poliméricos com altas constantes dielétricas foram sintetizados por enxertia de componentes polarizáveis [58, 60] ou por engenharia de nanoestruturas [61, 62, 75, 76], que aumentam a constante dielétrica pela polarização dipolar. Materiais dielétricos baseados em polímero são bons candidatos para uso como materiais triboelétricos devido às suas propriedades físicas, como flexibilidade e processabilidade em solução, que facilitam o desenvolvimento de dispositivos triboelétricos imprimíveis para aplicações vestíveis de próxima geração.

3. 3.

   Além da polarização dielétrica, um processo de polamento elétrico que pode induzir realinhamento de dipolo sob um forte campo elétrico pode ser outra abordagem para melhorar a constante dielétrica, que subsequentemente permite o aprimoramento dos desempenhos triboelétricos [77,78,79,80]. Recentemente, métodos de auto-polamento foram aplicados para melhorar consideravelmente as propriedades ferroelétricas via processo induzido por cisalhamento [81] em geradores piezoelétricos, embora o desempenho de saída permaneça menor que o dos geradores triboelétricos. O mecanismo, combinado com polarização dielétrica e auto-polamento em compósitos dielétricos, pode ser um efeito sinérgico para melhorar significativamente a constante dielétrica, levando a um aprimoramento notável dos desempenhos triboelétricos.

4. 4.

   A maioria dos estudos focou em materiais triboelétricos negativos. Como o desempenho triboelétrico surge da eletrificação por contato entre as camadas triboelétricas positivas e negativas, os materiais triboelétricos positivos são um fator importante para aprimorar desempenhos de saída. Materiais de par triboelétrico induzidos por polarização podem promover o desenvolvimento de dispositivos triboelétricos com desempenhos de saída significativamente aprimorados, o que facilita aplicações práticas que requerem alta potência de saída, como dispositivos vestíveis inteligentes e dispositivos IoT portáteis.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável.

Abreviações

CDE:

Camada dupla elétrica

PDMS:

Polidimetilsiloxano

PET:

Tereftalato de polietileno

PtBA:

Poli(terc-butil acrilato)

PTF:

Poli(2,2,2-trifluoroetil metacrilato)

PVA:

Álcool polivinílico

PVDF:

Fluoreto de polivinilideno

SPE:

Eletrolito polimérico sólido