Contesto e obiettivi della ricerca
Gli strumenti indossabili e i sensori portatili faticano a raggiungere ampia diffusione, in gran parte a causa della dipendenza dalle batterie. Per ridurre la necessità di ricariche frequenti e l’impiego di sostanze chimiche nocive, il gruppo guidato dal professor David Estrada alla Micron School of Materials Science and Engineering della Boise State University ha sviluppato un nanogeneratore triboelettrico (TENG) ottenuto interamente tramite stampa 3D. L’intento è fornire energia continua ai dispositivi wearable sfruttando semplicemente il movimento dell’utilizzatore o stimoli esterni come le gocce di pioggia.
Materiali e processo di fabbricazione
Il cuore del dispositivo è un inchiostro a base di polivinilbutirrale-co-vinilalcol-co-vinilacetato (PVBVA), un polimero scelto per la sua compatibilità ambientale, al quale sono aggiunti nanosheet di Ti₃C₂Tₓ-MXene, materiali bidimensionali noti per l’elevata conducibilità elettrica, la superficie estesa e la capacità di immagazzinare carica. Il TENG viene costruito con un sistema di stampa 3D a estrusione diretta che impiega etanolo come solvente, evitando l’uso di fluoropolimeri e solventi tossici. Gli elettrodi sono realizzati tramite deposizione di strati sottili di argento, anch’essi stampati.
Principio di funzionamento
Il nanogeneratore sfrutta l’effetto triboelettrico: due materiali a contatto cedono e acquistano elettroni, generando una differenza di potenziale. Nel dispositivo, il film PVBVA-MXene e una superficie opposta entrano in contatto e si separano con ogni movimento, producendo impulsi elettrici. Il forte campo elettrico indotto dalla combinazione polimero-MXene aumenta l’efficienza di trasferimento di carica, mentre la natura flessibile dell’inchiostro permette di adattare il TENG a superfici curve e di inserirlo in tessuti o dispositivi ergonomici.
Prestazioni elettriche e resistenza meccanica
Durante le prove, il TENG ha raggiunto 252 V in circuito aperto e 2,8 µA in cortocircuito, con una densità di potenza massima di 760 mW/m². Questi valori risultano superiori a quelli ottenuti con TENG basati su sole emulsioni polimeriche. Il dispositivo ha mantenuto piena funzionalità dopo oltre 10.000 cicli di piegatura, confermando l’affidabilità necessaria per un utilizzo quotidiano.
Esempi di impiego pratico
Il team di ricerca ha dimostrato la capacità del TENG di alimentare LED e un cronometro attraverso azioni semplici come il tocco di un dito, la flessione del ginocchio e la caduta di gocce d’acqua. In un esperimento di raccolta energetica da pioggia, il nanogeneratore ha trasformato l’impatto delle gocce in energia sufficiente a far lampeggiare ripetutamente una serie di LED, suggerendo possibili applicazioni in sensori ambientali o cappe indossabili per attività all’aperto.
Prospettive nel campo dei dispositivi indossabili
Questa tecnologia apre la strada a sensori medici che monitorano parametri vitali senza batteria, a interfacce uomo-macchina autoalimentate e a indumenti intelligenti in grado di sfruttare il movimento del corpo. Il ricorso a materiali ecocompatibili e a processi additivi consente di ridurre l’impatto ambientale e di semplificare la produzione, abbattendo i costi di prototipazione e di scala.
Ulteriori sviluppi e collaborazioni
Il primo autore Ajay Pratap sta approfondendo l’integrazione del TENG con moduli di stoccaggio a base di supercondensatori flessibili, in collaborazione con il laboratorio di e-textile della Drexel University. Parallelamente, un progetto con l’Università di Oxford valuta l’accoppiamento del nanogeneratore con sensori biomolecolari per applicazioni in telemedicina.
