Piezoelektrična kompozitna nanovlaknasta elektroda za nosive uređaje


Aplikacije nosivih uređaja otvorile su novu eru interakcije između čovjeka i računala s različitim svrhama, temeljnim konceptima i oblicima. Ovi uređaji imaju široku primjenu u medicinskim i zdravstvenim domenama kao što su procjena fizioloških signala, atletika i otkrivanje onečišćenja.

Piezoelektrična kompozitna nanovlaknasta elektroda za nosive uređaje

Studija: Sinteza keramičkog polimernog kompozitnog nanofiber filma s reduciranim grafen oksidom dopiranim dušikom za aplikacije nosivih uređaja. Autorstvo slike: magic pictures/Shutterstock.com

Međutim, razvoj učinkovite elektrode s optimalnom dielektričnom permitivnošću za aplikacije nosivih uređaja ostaje veliki izazov.

Nedavna studija objavljena u Znanstvena izvješća bavi se ovim problemom izradom piezoelektrične kompozitne elektrode na bazi filma od nanovlakana za nove primjene nosivih uređaja.

Materijali za aplikacije nosivih uređaja: pregled i izazovi

Piezoelektrični kompoziti temeljeni na polimernim materijalima i keramici stekli su značajan interes za aplikacije nosivih uređaja zbog svojih izvrsnih mehaničkih i električnih kvaliteta, kao što su prilagodljivost, dielektrična svojstva i otpornost. Električna svojstva neobrađenih materijala mogu se poboljšati ugradnjom piezoelektrične keramike u kompozitne materijale.

Iako su piezoelektrični kompozitni materijali uspješno razvijeni za aplikacije nosivih uređaja, njihove karakteristike otpora ograničavaju njihovu sposobnost poboljšanja piezoelektričnih sposobnosti. Vodljivi materijali mogu se uvesti u piezoelektrične kompozite kako bi se povećala njihova električna svojstva, prevladavajući ta ograničenja.

Dvodimenzionalni reducirani grafen oksid (rGO) obično se koristi kao vodljiva tvar u aplikacijama nosivih uređaja. Može se miješati s drugim materijalima radi poboljšanja mehaničkih i električnih svojstava.

Posljedično, ugradnja rGO u piezoelektrične materijale može povećati njihove piezoelektrične karakteristike. Međutim, brojni defekti nastaju tijekom reakcije redukcije rGO, ugrožavajući njegove karakteristike prijenosa elektrona.

Ovi nedostaci mogu biti vrlo štetni za primjene piezoelektričnih nosivih uređaja jer ometaju električno polje. Kako bi se kompenzirale smanjene karakteristike vodljivosti, dušik se može ugraditi u dvodimenzionalni rGO, što rezultira N-rGO s poboljšanim električnim svojstvima.

Piezoelektrični filmovi od nanovlakana: Budućnost primjene nosivih uređaja

Piezoelektrični filmovi od nanovlakana izrađeni od kopolimera i keramičkih materijala imaju razne prednosti u odnosu na konvencionalne kompozite, uključujući prilagodljivost i dielektrična svojstva. Film od nanovlakana je fleksibilniji od drugih kompozita i keramičkih polimera zbog svog velikog omjera širine i visine.

Iako se mnoge tehnike mogu koristiti za stvaranje piezoelektričnih filmova od nanovlakana za aplikacije nosivih uređaja, metoda elektropredenja se obično koristi jer nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge metode fizičke proizvodnje.

Elektropredenje je proces koji koristi električno polje za stvaranje nanovlakana od polimernih materijala, keramike i metala. Ova metoda može stvoriti nanovlakna od kompliciranih spojeva i raditi na niskim temperaturama.

Štoviše, visoko vodljiva N-rGO i piezoelektrična hibridna nanovlakna mogu se temeljito kombinirati tijekom postupka pripreme prije elektropredenja. Posljedično, piezoelektrična kompozitna nanovlakna dopirana N-rGO prikladna za razne primjene nosivih uređaja mogu se lako proizvesti.

Interdigitalne elektrode za aplikacije nosivih uređaja

Gotovo sve aplikacije nosivih uređaja imaju strukturu elektrode planerskog tipa, a tradicionalne okomite elektrode ne mogu se koristiti u aplikacijama nosivih uređaja sljedeće generacije. Dobro je utvrđeno da piezoelektrični nanovlaknasti filmovi s elektrodama planerskog tipa nude jedinstvene električne mogućnosti za širok raspon primjena nosivih uređaja.

Ova studija stvorila je interdigitalne elektrode planer tipa i primijenila ih na N-rGO-dopirane piezoelektrične hibridne nanovlaknaste filmove za aplikacije nosivih uređaja.

Istraživači su odabrali sintetski N-rGO za obogaćivanje piezoelektričnih kompozitnih nanovlakana jer ima veću vodljivost od rGO. Dušik je neophodan za uklanjanje nedostataka s rGO površine. Kao rezultat ove veće vodljivosti, mogu se poboljšati svojstva plutajuće elektrode u piezoelektričnim kompozitnim materijalima.

Istraživači su koristili postupak konformnog preslikavanja kako bi izdvojili različite kombinacije dielektrične permitivnosti simulacijom i izračunavanjem funkcionalnih dielektričnih svojstava pripremljenih elektroda. Ove elektrode također su korištene za razvoj prilagodljivih piezoelektričnih izvlakača energije za aplikacije nosivih uređaja.

Važni nalazi studije

Karakteristike plutajuće elektrode poboljšale su generator energije na bazi nanovlakana stvoren u ovom radu i povećale izlaznu snagu. Izlazna snaga optimizirana je usavršavanjem tehnike proizvodnje i interdigitalne arhitekture elektrode. Utvrđeno je da su pohranjeni potencijal, napon otvorenog kruga i izlazna snaga 3,78 V, 12,4 V, odnosno 6,3 μW.

Ukupna dielektrična permitivnost piezoelektričnih hibridnih filmova od nanovlakana povećana je s 8,2 na 15,5 uključivanjem keramike i N-rGO vodiča. Ova povećana efektivna dielektrična konstanta najvjerojatnije je posljedica povećanog intenziteta električnog toka kao rezultat veće vodljivosti.

Na temelju ovih rezultata moguće je zaključiti da interdigitalne elektrode sastavljene od piezoelektričnih nanofiber filmova dopiranih N-rGO imaju veliki potencijal za upotrebu u raznim aplikacijama nosivih uređaja u budućnosti.

Referenca

Ji, J.-H. et al. (2022). Sinteza kompozitnog filma od nanovlakana od keramičkog polimera na bazi reduciranog grafen oksida dopiranog dušikom za aplikacije nosivih uređaja. Znanstvena izvješća. Dostupno u: https://www.nature.com/articles/s41598-022-19234-0

Izjava o odricanju odgovornosti: Stavovi izraženi ovdje su stavovi autora izraženi u njihovom privatnom svojstvu i ne predstavljaju nužno stavove AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, vlasnika i operatera ove web stranice. Ovo odricanje od odgovornosti dio je Odredbi i uvjeta korištenja ove web stranice.