Les chercheurs ont découvert une autre façon de récupérer de petites quantités d’électricité provenant de mouvement dans le monde qui nous entoure, en capturant cette fois la charge électrique produite lorsque deux différents types de matières plastiques se frottent les unes contre les autres. Sur la base de matériaux polymères flexibles, ce générateur « triboélectrique" pourrait fournir du courant alternatif (CA) à partir d’activités comme la marche.

Le générateur triboélectrique pourrait compléter l’énergie produite par les nanogénérateurs qui utilisent l’effet piézoélectrique pour créer du courant à partir de la flexion de nanofils d’oxyde de zinc. Et parce que ces générateurs triboélectriques peuvent être fabriqués de manière quasi transparente, ils pourraient offrir une nouvelle façon de produire des capteurs actifs qui pourraient remplacer la technologie désormais utilisée pour les écrans d’appareils tactiles.

"Le fait qu’une charge électrique peut être produite par ce principe est bien connu », a déclaré Zhong Lin Wang, professeur à l’École des Sciences des Matériaux & Ingénierie du Georgia Institute of Technology. "Ce que nous avons introduite est une technique de séparation des écarts qui produit une chute de tension, ce qui conduit à un flux de courant, permettant à la charge d’être utilisée. Ce générateur permet de convertir l’énergie mécanique aléatoire de notre environnement en énergie électrique."

La recherche a été financée par la National Science Foundation, le Département de l’Énergie et l’US Air Force. Des détails ont été rapportés dans le numéro de Juin de la revue Nano Letters. En plus de Zhong Lin Wang, les auteurs du document incluent Feng-Ru Fan, Long Lin, Guang Zhu, Wenzhuo Wu et Zhang Rui de Georgia Tech. Feng-Ru Fan est également affilié au State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces de l’Université de Xiamen en Chine.

Le générateur triboélectrique fonctionne quand une feuille de polyester frotte contre une feuille faite de polydiméthylsiloxane (PDMS) (1). Le polyester a tendance à donner des électrons, tandis que le PDMS accepte des électrons. Immédiatement après que les surfaces de polymère frottent ensemble, ils sont séparées mécaniquement, créant un espace d’air qui isole la charge sur la surface PDMS et forme un moment dipolaire.

Si une charge électrique est ensuite connectée entre les deux surfaces, un faible courant s’écoule pour égaliser le potentiel de charge. En frottant de manière permanente les surfaces ensemble, puis en les séparant rapidement, le générateur peut fournir un petit courant alternatif. Une déformation externe est utilisée pour appuyer sur les surfaces ensemble et les faire glisser pour créer le mouvement de frottement.

1) Le polydiméthylsiloxane, communément appelé PDMS ou diméthicone, est un polymère organominéral de la famille des siloxanes souvent présent dans les shampoings. Le polydiméthylsiloxane est un additif alimentaire (E900), utilisé comme antimoussant dans les boissons (Coca-Cola BlāK). La chaîne de poly(diméthylsiloxane) forme également la structure de base des huiles et des caoutchoucs silicones.

The new high-output, flexible and transparent trioboelectric nanogenerator produced from transparent polymer materials is sensitive enough to detect contact with a feather

“For this to work, you have to use to two different kinds of materials to create the different electrodes,” Wang explained. “If you rub together surfaces made from the same material, you don’t get the charge differential.”

The technique could also be used to create a very sensitive self-powered active pressure sensor for potential use with organic electronic or opto-electronic systems. The force from a feather or water droplet touching the surface of the triboelectric generator produces a small current that can be detected to indicate the contact. The sensors can detect pressure as low as about 13 millipascals.

Because the devices can be made approximately 75 percent transparent, they could potentially be used in touch screens to replace existing sensors. “Transparent generators can be fabricated on virtually any surface,” said Wang. “This technique could be used to create very sensitive transparent sensors that would not require power from a device’s battery.”

The fabrication process for the triboelectric nanogenerators and pressure sensors

While smooth surfaces rubbing together do generate charge, Wang and his research team have increased the current production by using micro-patterned surfaces. They studied three different types of surface patterning – lines, cubes and pyramids – and found that placing pyramid shapes on one of the rubbing surfaces generated the most electrical current : as much as 18 volts at about 0.13 microamps per square centimeter.

Wang said the patterning enhanced the generating capacity by boosting the amount of charge formed, improving capacitance change due to the air voids created between the patterns, and by facilitating charge separation.

To fabricate the triboelectric generators, the researchers began by creating a mold from a silicon wafer on which the friction-enhancing patterns are formed using traditional photolithography and either a dry or wet etching process. The molds, in which the features of the patterns are formed in recess, were then treated with a chemical to prevent the PDMS from sticking.

The pyramid patterns created in a polymer sheet increase current production in the new triboelectric generator

The liquid PDMS elastomer and cross-linker were then mixed and spin-coated onto the mold, and after thermal curing, peeled off as a thin film. The PDMS film with patterning was then fixed onto an electrode surface made of indium tin oxide (ITO) coated with polyethylene terephthalate (PET) by a thin PDMS bonding layer. The entire structure was then covered with another ITO-coated PET film to form a sandwich structure.

“The entire preparation process is simple and low cost, making it possible to be scaled up for large scale production and practical applications,” Wang said.

The generators are robust, continuing to produce current even after days of use – and more than 100,000 cycles of operation, Wang said. The next step in the research will be to create systems that include storage mechanisms for the current generated.

“Friction is everywhere, so this principle could be used in a lot of applications,” Wang added. “We are combining our earlier nanogenerator and this new triboelectric generator for complementary purposes. The triboelectric generator won’t replace the zinc oxide nanogenerator, but it has its own unique advantages that will allow us to use them in parallel.”

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