3D プリントされた摩擦ナノジェネレーターがあれば、ウェアラブルデバイスの電力切れを心配する必要がなくなります。

最近、東華大学材料科学工学部のYou Zhengwei教授とYu Hao教授の共同チームがナノ摩擦発生装置の分野で重要な進歩を遂げました。関連する研究成果は、「ウェアラブル電子デバイス用の3Dプリント統合カスタマイズ弾性および持続可能なナノ摩擦発生装置」というタイトルで、有名な国際材料科学ジャーナル「Advanced Functional Materials」の裏表紙に掲載されました。東華大学材料科学工学部の博士課程学生であるChen Shuo氏とポスドク研究員のHuang Tao氏が共同筆頭著者であり、You Zhengwei教授が責任著者である。この研究の電気的性能試験は、Yu Hao教授のチームとの共同作業で完了しました。同時に、Mo Xiumei教授、Wu Qilin教授、He Chuanglong教授、Zhu Bo教授からも強力なサポートを受けました。

ナノ摩擦発電機（TENG）は、ジョージア工科大学の王中林院士が近年提案した、環境の機械的エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換する技術です。この新しい技術は、生体力学的エネルギーを使用して自己駆動型のウェアラブル電子デバイスを構築するための新しいソリューションを提供します。しかし、現在のTENGでは、通常、各部品を別々に準備して組み立てる必要があるため、不規則な形状を構築することが難しく、その用途が制限されています。

この問題を解決するために、You Zhengwei教授のチームは、最近開発された熱硬化性材料の新しい3Dプリント技術に基づいて、3次元多孔質構造を持つナノ摩擦ジェネレータ（3DP-TENG）を構築しました（Mater. Horiz.、2018、DOI：10.1039 / C8MH00937F）。 3DP-TENG は、熱硬化性弾性基材と摩擦材としてポリグリセロールセバケート (PGS) を使用し、その中にカーボンナノチューブ (CNT) が分散されて導電性ネットワークと別の摩擦材を形成します。製造においては、PGS プレポリマー、CNT、塩粒子が印刷インクとして使用されます。塩粒子が鍵となり、印刷の固化を確実にする強化剤として、また多孔質構造を得るためのポロゲンとして機能します。各微細孔はナノ摩擦発生器に相当します。

圧縮すると、微細孔の上壁と下壁が接触し、PGS と CNT の電子結合能力の違いにより、接触時に両者の間で電荷移動が発生します。 3DP-TENGは弾性体であるため、外力が除去されると微細孔が元の状態に戻り、チューブの上部と下部の壁にあるPGSとCNTで電荷が分離され、CNTと地面の間に電位差が発生し、外部のワイヤとともに電流を構成します。多数の微細孔が連携して優れた摩擦発電効率を実現します

3DP-TENG は一体型の 3D プリント製品なので、必要に応じて簡単にカスタマイズできます。研究チームは人間工学に基づいて立体的なインソールを印刷し、これを履いて歩くとLEDライトが効果的に点灯し、電子時計を充電できる。 3D プリントされた「リング」型のデバイスは、指の曲がり具合を便利に監視し、出力される電気信号に基づいて曲がりの頻度と角度を感知することができます。

この研究のもう一つの顕著な特徴は、3DP-TENG がライフサイクル全体を通じて環境に優しい電子機器であるという点です。マトリックス材料ポリマーPGSは、バイオベースのセバシン酸とグリセロールの縮合によって得られます。これは、添加剤製造を使用して構築され、原材料が十分に活用されています。PGSは生分解性が高く、使用後に生体適合性のあるセバシン酸とグリセロールに完全に分解されます。CNTは、性能が変わらないまま簡単にリサイクルおよび再利用できます。

この研究では、ナノ摩擦ジェネレータの一体型 3D プリントを実現するための新しい戦略を開発しました。必要に応じて様々な形状を印刷することができ、ウェアラブルデバイスなどへの幅広い応用が期待できます。この研究は、中国国家自然科学基金と上海自然科学基金の資金提供を受けて実施されました。

出典：東華大学

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