Nanogénérateur triboélectrique à base de papier d'amidon pour la détection de la transpiration humaine

Introduction

Les attributs attrayants de l'électronique flexible, par exemple, leur flexibilité mécanique extensible/pliable, leur petit volume et leur biodégradabilité, devraient jouer un rôle clé dans l'utilisation jetable associée à la sécurité électronique, aux biocapteurs, à l'emballage intelligent et aux cartes de visite [1 ,2,3]. En fait, l'électronique flexible utilisant des substrats jetables a attiré une attention considérable, en raison de leur biocompatibilité, leur aptitude à la dissolution chimique et leur respect de l'environnement. Divers dispositifs flexibles et jetables ont donc été utilisés pour fabriquer des appareils électroniques portables [4,5,6], y compris des dispositifs dynamiques autoalimentés et des capteurs intelligents. En général, une source d'alimentation supplémentaire est nécessaire pour faire fonctionner ces types d'électronique portable. Néanmoins, les séries de batteries traditionnelles (c'est-à-dire non portables, non biocompatibles et non durables) nécessitent un approvisionnement constant en énergie chimique. Le développement d'une alimentation appropriée est donc essentiel pour surmonter les défis associés aux gadgets électroniques portables.

Le nanogénérateur triboélectrique (TENG) a été largement étudié dans le domaine de la récupération d'énergie [7,8,9,10,11,12]. Un TENG peut convertir l'énergie mécanique dérivée de l'environnement en énergie électrique et représente une nouvelle source d'énergie, basée sur les processus d'électrification des contacts et l'induction d'un champ électrostatique [13,14,15,16,17]. Des modèles appropriés de ces dispositifs ont été largement utilisés pour alimenter des gadgets électroniques portables [18,19,20,21]. De plus, en combinant des TENG avec différents types d'alimentations triboélectriques, un capteur auto-alimenté pour diverses applications pourrait être obtenu [22,23,24,25]. Cependant, la plupart des TENG traditionnels sont basés sur des matériaux non respectueux de l'environnement, par exemple des polymères difficiles à décomposer. Par conséquent, ces TENG ne peuvent être utilisés que de manière limitée dans les applications futures.

L'amidon est une matière première prometteuse pour développer des substrats décomposables, car il est moins coûteux que les autres alternatives, trouvé en abondance et renouvelable. Ici, nous avons illustré des dispositifs TENG jetables à base de papiers d'amidon biodégradables et respectueux de l'environnement. Les matériaux utilisés sont tous économiques et disponibles dans le commerce. Le TENG à base de papier d'amidon (S-TENG) peut être construit par un processus simple où le papier d'amidon est assemblé avec un fil métallique. Le TENG construit peut être utilisé comme capteur de transpiration humaine auto-alimenté. De plus, le TENG proposé a un potentiel d'application dans le domaine de l'électronique portable.

Méthode

Montage du S-TENG

Le papier d'amidon (épaisseur :~ ~ 1 um) a été obtenu auprès de GILRO Corp. (Israël). Un côté du papier est connecté à un fil métallique puis vaporisé de vapeur d'eau, ce qui donne le S-TENG. Le mécanisme de fabrication, qui est illustré schématiquement sur la figure 1, peut être classé comme simple et rentable.

Schéma du processus d'assemblage S-TENG

Mesures et démonstration humaine

Les performances électroniques ont été mesurées avec un oscilloscope numérique (DSOX6004A Digital Storage Oscilloscope). Le S-TENG fabriqué (4,4 × 4,4 cm ² ) était connecté à un coude humain (fil métallique faisant face à l'humain). De plus, le signal de sortie du S-TENG a été mesuré pour diverses durées de mouvement biomécanique humain.

Résultats et discussion

Le mécanisme de fonctionnement du S-TENG est représenté schématiquement sur la Fig. 2c. Le dispositif proposé est basé sur l'effet de couplage entre la main humaine et le papier d'amidon. Lorsqu'il y a contact physique entre la main et le papier, le papier acquiert des charges négatives à sa surface, alors que la main acquiert des charges positives. De plus, une fois la main libérée, la zone de chevauchement entre la main et le papier chargé diminue et les charges sur le papier ne sont plus totalement équilibrées par celles de la main. Les charges négatives instables sur la surface de l'amidon forcent un flux d'électrons vers le sol depuis l'électrode arrière du papier. Néanmoins, lorsque la main s'approche à nouveau du papier, les charges positives induites sur l'électrode arrière deviendront instables et forceront le flux d'électrons vers le sol.

un Un film d'eau commence à se former autour du côté électrode du papier d'amidon, b un réseau d'eau se forme, c le mécanisme de travail du S-TENG

Les résultats indiquent que l'état de fonctionnement du S-TENG peut être séparé en deux modèles de fonctionnement, basés sur la quantité de vapeur d'eau absorbée par le papier d'amidon. Le concept de transfert de charge est illustré, en utilisant l'état montré sur la figure 2cII comme exemple. Comme le montre la figure 2a, dans le modèle de travail 1, un film d'eau est initialement formé autour du côté électrode du papier. Néanmoins, les charges sont encore en partie piégées dans le film d'eau irrégulier, formant une barrière potentielle qui entrave le mouvement des porteurs. Cependant, dans le modèle de travail 2, un réseau d'eau est créé (Fig. 2b), et la résistance électronique du côté de l'électrode comprenant le papier d'amidon est considérablement réduite.

Une photographie du S-TENG fabriqué est illustrée à la Fig. 3a. Une résistance adaptable a été utilisée comme charge extérieure et, pour différents temps de pulvérisation de la vapeur d'eau, un oscilloscope a été utilisé pour mesurer les signaux électroniques de la résistance. La figure 3b montre les performances électroniques du S-TENG après la première pulvérisation. Comme le montre la figure, l'augmentation de la résistance de charge (de 100 à 100 MΩ) entraîne une augmentation constante de la tension de sortie collectée. Cependant, la puissance de sortie maximale est atteinte à une résistance de charge de 15 MΩ et, par conséquent, la résistance interne du TENG fabriqué est de ~ 15 MΩ. La tension de sortie (c. La stabilité de fonctionnement du papier fabriqué TENG a ensuite été déterminée. Comme le montre la Fig. 4, la tension de sortie (résistance de charge :100 MΩ) de l'appareil fabriqué ne diminue que légèrement lors d'un test de force verticale.

un Photographie et b sortie électronique du S-TENG fabriqué

Essai de force verticale du S-TENG fabriqué. La tension de sortie ne diminue que légèrement sous une résistance de charge de 100 MΩ

Le papier d'amidon présentait des résistances de feuille de 19 MΩ, 6,1 MΩ, 1,5 MΩ, 140 KΩ et 130 KΩ avant la pulvérisation d'eau et après la 1ère, la 3e, la 5e et la 7e pulvérisation, respectivement. Les activités électroniques correspondantes du S-TENG sont comparées, comme le montre la Fig. 5. La tension de sortie (soumise à une charge conforme de 100 MΩ) augmente avec l'augmentation des temps de pulvérisation de 0 à 3 (modèle de travail 1) et devient saturée au moment de la pulvérisation. fois au-dessus de la 3ème pulvérisation (modèle de travail 2). La détection des liquides à base d'eau, par exemple la transpiration humaine est assurée, grâce à la corrélation entre la tension électronique et la quantité de vapeur d'eau. Cette corrélation peut être caractérisée par des changements dans la résistance interne du S-TENG. La réduction de la résistance interne du S-TENG est favorisée par l'utilisation de vapeur d'eau, car l'introduction d'eau réduit la capacité de résistance électronique du papier d'amidon. Cette diminution résulte de la formation de chemins conducteurs d'eau à la surface et à l'intérieur du papier. De plus, cet impact devient particulièrement apparent lorsqu'un film d'eau commence à se former autour du côté électrode du papier (modèle de travail 1). De plus, la sortie électronique survenant avant la pulvérisation d'eau provient principalement de l'eau liée des cellules des grains (entraînant une faible conduction électronique pour les porteurs).

Dépendance de la tension de sortie sur le nombre d'étapes de pulvérisation d'eau

Le S-TENG proposé a été utilisé pour la détection de la transpiration humaine. Comme le montre la figure 6a, le S-TENG est connecté au coude humain après différentes durées de mouvement du corps. Ensuite, la couche exposée de la peau humaine est nettoyée avec une serviette sèche et un mouvement du coude s'ensuit (Fig. 6 ; la sortie électronique collectée est illustrée à la Fig. 6c). La tendance observée est similaire à celle montrée sur la Fig. 5, c'est-à-dire du point de vue de la corrélation entre la sortie électronique (charge conforme :100 MΩ) et la durée du mouvement humain. Les résultats indiquent que le S-TENG proposé peut être utilisé pour détecter la transpiration humaine et surveiller le temps de mouvement humain.

Le a , b modèle de travail pour récolter l'énergie du mouvement du coude humain, c sortie électronique (soumise à une charge correspondante de 100 MΩ) par rapport au temps de mouvement humain

Les attributs de jetabilité du papier d'amidon ont été déterminés en évaluant l'activité de dissolution, comme le montre la figure 7. Au cours de cette détermination, le papier a été immergé dans l'eau du robinet sous une légère vibration de la main humaine, comme illustré sur la figure 7a, pendant diverses durées (voir Fig. 7b–e). Le papier d'amidon s'est complètement décomposé en 4 minutes, ce qui indique que le S-TENG proposé peut être entièrement dégradable.

un Tests de dégradabilité réalisés par trempage du papier d'amidon dans l'eau, b immédiatement et après b 1, c 2, d 3, et e 4 minutes

Conclusion

Dans ce travail, une nouvelle méthodologie simple pour la fabrication de dispositifs TENG jetables utilisant des papiers d'amidon biodégradables respectueux de l'environnement est présentée. Le processus rapide et simple de construction du S-TENG utilise des matériaux rentables et commercialement accessibles. La structure de l'amidon peut être décomposée en poudre dans l'eau en 4 min. Le TENG proposé a un potentiel considérable dans le domaine de l'électronique portable.

Abréviations

TENG :

Nanogénérateur triboélectrique