De dunste elektrische generator ter wereld

Onderzoekers van Columbia Engineering en het Georgia Institute of Technology hebben voor het eerst piëzo-elektriciteit en piëzotronische effecten geobserveerd in atoomdun materiaal - molybdeendisulfide (MoS2). Op basis daarvan bedachten ze een unieke elektrische generator die optisch transparant is, extreem licht en buitengewoon buig- en rekbaar.

Molybdeendisulfide kan de basis vormen voor unieke elektrische generatoren en sensoren. het materiaal is optisch transparant, zeer licht en extreem buig- en rekbaar. (foto: Rob Felt)

1/1

Gerelateerd nieuws

Bijeenkomst Platform Tandwielen op 25 april 2024

Een PLC of een embedded controller?

I/O-systeem ‘helpt’ Groot Barrièrerif

Nu bestellen – volgend jaar elektrisch (leren) vliegen

In een artikel in Nature beschreven de onderzoekers de mechanische opwekking van elektriciteit in het tweedimensionale Materiaal MoS₂. De piëzo-elektrische eigenschappen van dit materiaal waren al eerder theoretisch voorspeld.

Piëzo-elektriciteit is een bekend verschijnsel: uitrekken of samenpersen van een materiaal genereert daarbij een elektrisch spanning. Of - omgekeerd - het aanleggen van een elektrische spanning leidt tot het uitrekken of samentrekken van het materiaal. Maar voor materialen van slechts een paar atomen dik was in experimenten tot nu toe geen piëzo-elektriciteit waargenomen. De recente observatie opent nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van mechanisch regelbare elektronicacomponenten met tweedimensionale materialen.

"Dit materiaal - niet meer dan een enkele laag atomen - kan worden gebruikt voor ‘wearable' producten, misschien geïntegreerd in kleding, Om energie van de bewegingen van ons lichaam om te zetten in elektriciteit. Of er kunnen sensoren en medische apparaatjes mee worden gevoed. Misschien leveren ze zelfs genoeg energie om de mobiele telefoon te laden", aldus James Hone, hoogleraar werktuigbouwkunde en een van de onderzoeksleiders.

Zijn collega-onderzoeksleider professor Zhong Lin Wang, van Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering, zegt: "Materiaalwetenschappers zijn enthousiast over molybdeendisulfide, en het aantonen van het piëzo-elektrische effect voegt weer een nieuw facet toe aan het materiaal".

Zhong Lin Wang en zijn onderzoeksteam zijn pioniers op het gebied van piëzo-elektrische nanogeneratoren. Samen met postdoc fellow Wenzhuo Wu ontwikkelde hij ook zogenoemde piëzotronische componenten, waarin piëzo-elektrische ladingen worden gebruikt om de elektronenstroom door het materiaal te besturen - net als de gate-spanning in een conventionele transistor.

Er moet zijn voldaan aan twee voorwaarden om met molybdeendisulfide spanning te genereren: er moet een oneven aantal lagen worden gebruikt en het materiaal moet in de juiste richting worden vervormd. Het materiaal is bijzonder polair en daardoor wordt het piëzo-elektrische effect uitgedoofd bij een even aantal lagen. De kristallijne structuur is bovendien alleen piëzo-elektrisch in bepaalde kristaloriëntaties.

 "Wat vooral interessant is: we hebben ontdekt dat een materiaal als MoS₂, dat in bulkvorm niet piëzo-elektrisch is, het wel kan worden door het terug te brengen tot een enkele atoomlaag", zegt Lin Wang.

Uiteindelijk kan het onderzoek volgens Zhong Lin Wang leiden tot complete atoomdunne nanosystemen die voor hun voeding zelfvoorzienend zijn door het sprokkelen van mechanische energie uit de omgeving. Hij ziet verder mogelijkheden voor mens-machineinterfaces, robotica, Mems en actieve flexibele elektronica.