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I ricercatori immaginano biosensori autoalimentati derivati ​​dal legno per dispositivi wireless

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Astratto grafico. Credito: Nanoenergia (2022). DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107337

Secondo i ricercatori dell’Università di Toronto e dell’Università di Waterloo, i materiali derivati ​​dal legno possono essere utilizzati per raccogliere energia elettrica dai movimenti quotidiani come camminare.

In un nuovo studio recentemente pubblicato in Nanoenergiail team ha dimostrato l’uso di nanofibrille lignocellulosiche, derivate dalla corteccia d’albero, in un prototipo di dispositivo autoalimentato in grado di inviare un segnale wireless a uno smartphone tramite Bluetooth.

Tali dispositivi possono essere utilizzati per tracciare dati biometrici come frequenza cardiaca, livelli di ossigeno o conduttività cutanea. L’innovazione potrebbe migliorare le prestazioni di questi dispositivi riducendo al contempo il loro impatto ambientale.

“I biosensori sono comuni nell’elettronica indossabile, ma oggi sono alimentati da batterie”, afferma Ning Yan, professore nel dipartimento di ingegneria chimica e chimica applicata presso la Facoltà di scienze applicate e ingegneria e coautore dello studio.

“Questo li rende ingombranti, scomodi e costosi. I sensori senza batterie potrebbero essere più sottili, più piccoli ed economici. Non dovresti mai più preoccuparti di dimenticare di caricare la batteria. Potresti semplicemente incollarlo sulla pelle e sarebbe alimentato da i tuoi movimenti naturali”, ha aggiunto.

Il principio alla base dell’innovazione è l’effetto trioboelettrico, una forma di elettricità statica. Poiché alcuni materiali attraggono gli elettroni più di altri, mettere ripetutamente in contatto due materiali diversi e poi separarli può causare la formazione di una carica elettrica tra di loro.

Ricercatori di tutto il mondo stanno sperimentando dispositivi noti come nanogeneratori triboelettrici, che sfruttano questo effetto per generare piccole quantità di elettricità.

La maggior parte dei progetti attuali incorpora materiali sintetici come il politetrafluoroetilene (PTFE), noto anche con il marchio Teflon. Tuttavia, questo materiale persiste per lunghi periodi di tempo nell’ambiente e sono state sollevate preoccupazioni sui suoi potenziali effetti sulla salute.

Yan e il suo team volevano vedere se fosse possibile creare un sostituto naturale e biodegradabile.

“Ci sono state alcune sperimentazioni sull’utilizzo di materiali naturali come la cellulosa in questi tipi di generatori triboelettrici”, afferma Yan. “Ma la maggior parte dei team ha utilizzato la cellulosa solo nello strato che perde elettroni, che chiamiamo lo strato tribopositivo. Volevamo sviluppare un sostituto naturale per l’altro lato, lo strato tribonegativo”.

Il nuovo materiale è costituito da nanofibrille, minuscoli fili di materiale vegetale centinaia di migliaia di volte più sottili di un capello umano. Laddove altri team hanno utilizzato nanofibrille di cellulosa, il principale polimero vegetale nella carta e nel cartone, Yan e il suo team hanno anche incorporato un altro polimero naturale noto come lignina.

“La lignina è una molecola complessa e ramificata”, afferma Nicolas Tanguy, co-autore principale del nuovo articolo che ha condotto la ricerca come borsista post-dottorato nel laboratorio di Yan (ora è all’Universidad Nacional Autónoma de México).

“In molti prodotti in cellulosa e carta, la lignina è un’impurità da rimuovere. Ma in questo caso, abbiamo scoperto che lasciare circa il 30 percento di lignina nelle nanofibrille ha effettivamente migliorato le loro prestazioni come materiali tribonegativi”.

I ricercatori immaginano biosensori autoalimentati derivati ​​dal legno per dispositivi wireless

I ricercatori di U of T e dell’Università di Waterloo hanno utilizzato materiali derivati ​​dal legno per costruire un piccolo dispositivo che può essere utilizzato per raccogliere energia elettrica dai movimenti quotidiani. Credito: Md Masud Rana/Università di Waterloo

Il team di U of T Engineering ha inviato le nanofibrille lignocellulosiche al professor Dayan Ban e al suo team presso il dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell’Università di Waterloo. Hanno incorporato il materiale in un prototipo di nanogeneratore triboelettrico.

“Le nostre sfide principali erano trovare un modo altamente efficiente per convertire l’energia meccanica in energia elettrica e quindi immagazzinare abbastanza energia per alimentare il sistema”, afferma Ban, che ha completato il suo dottorato presso la U of T. “È stato gratificante raggiungere questo obiettivo mentre limitando anche l’impronta ambientale del sistema multifunzione.”

Questo dispositivo è stato in grado di generare il 160% di tensione in più e il 140% di corrente in più rispetto a un dispositivo simile che utilizzava il PTFE come strato tribonegativo.

Semplicemente toccando il dispositivo su una lastra acrilica durante i test, il prototipo è stato in grado di generare energia sufficiente per inviare un ping a radiofrequenza ogni tre minuti che veniva rilevato da uno smartphone nelle vicinanze.

In teoria, un tale dispositivo potrebbe essere inserito nella suola di una scarpa, con l’utente che genera elettricità mentre cammina o corre. Il dispositivo potrebbe essere utilizzato per alimentare un biosensore o qualsiasi altro dispositivo che invia dati in modalità wireless.

“Non solo questo materiale ha prestazioni migliori del PTFE, ma è anche biodegradabile”, afferma Yan. “Ciò lo renderebbe molto utile nei biosensori monouso. Eliminando sia la batteria che il PTFE, riduciamo notevolmente l’impatto ambientale”.


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