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Las aplicaciones de dispositivos portátiles han dado paso a una nueva era de interacción hombre-computadora con una variedad de propósitos, conceptos subyacentes y formas. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en los campos de la medicina y la atención de la salud, como la evaluación de señales fisiológicas, el atletismo y la detección de contaminación.
Estudio: Síntesis de una película de nanofibras compuestas de polímero cerámico a base de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno para aplicaciones de dispositivos portátiles. Fuente de la imagen: imágenes mágicas/Shutterstock.com
Sin embargo, el desarrollo de un electrodo eficaz con una constante dieléctrica óptima para aplicaciones de dispositivos portátiles sigue siendo un gran desafío.
Un estudio reciente publicado en Scientific Reports aborda este problema mediante la fabricación de un electrodo compuesto de nanofibras piezoeléctricas para nuevas aplicaciones de dispositivos portátiles.
Materiales para aplicaciones de dispositivos portátiles: descripción general y desafíos
Los compuestos piezoeléctricos basados en materiales poliméricos y cerámicos han ganado un gran interés para aplicaciones en dispositivos portátiles debido a sus excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, como conformabilidad, propiedades dieléctricas y resiliencia. Las propiedades eléctricas de los materiales vírgenes se pueden mejorar incorporando cerámicas piezoeléctricas a los materiales compuestos.
Aunque los materiales compuestos piezoeléctricos se han desarrollado con éxito para aplicaciones de dispositivos portátiles, sus propiedades resistivas limitan su capacidad para mejorar las capacidades piezoeléctricas. Los materiales conductores se pueden incorporar en compuestos piezoeléctricos para mejorar sus propiedades eléctricas y superar estas limitaciones.
El óxido de grafeno reducido bidimensional (rGO) se usa comúnmente como sustancia conductora en aplicaciones de dispositivos portátiles. Se puede mezclar con otros materiales para mejorar las propiedades mecánicas y eléctricas.
En consecuencia, la incorporación de rGO en materiales piezoeléctricos puede mejorar sus propiedades piezoeléctricas. Sin embargo, se forman numerosos defectos durante la reacción de reducción de rGO, lo que afecta sus propiedades de transporte de electrones.
Estos defectos pueden ser muy perjudiciales para las aplicaciones de dispositivos portátiles basados en piezoeléctricos, ya que alteran el campo eléctrico. Para compensar las propiedades de conductividad reducida, se puede incorporar nitrógeno en rGO bidimensional, lo que da como resultado N-rGO con propiedades eléctricas mejoradas.
Películas de nanofibras piezoeléctricas: el futuro de las aplicaciones de dispositivos portátiles
Las películas de nanofibras piezoeléctricas hechas de copolímeros y materiales cerámicos tienen varias ventajas sobre los compuestos tradicionales, incluidas la adaptabilidad y las propiedades dieléctricas. Una película de nanofibras es más flexible que otros compuestos y polímeros cerámicos debido a su alta relación de aspecto.
Aunque se pueden usar muchas técnicas para fabricar películas de nanofibras piezoeléctricas para aplicaciones de dispositivos portátiles, el proceso de electrohilado se usa ampliamente ya que ofrece varias ventajas sobre otros métodos de fabricación física.
El electrohilado es un proceso que utiliza un campo eléctrico para crear nanofibras a partir de materiales poliméricos, cerámicas y metales. Este método puede producir nanofibras a partir de compuestos intrincados y trabajar a bajas temperaturas.
Además, las nanofibras híbridas piezoeléctricas y N-rGO altamente conductoras se pueden combinar completamente durante el proceso de preparación antes del electrohilado. En consecuencia, se pueden fabricar fácilmente nanofibras piezoeléctricas compuestas dopadas con N-rGO adecuadas para diversas aplicaciones de dispositivos portátiles.
Electrodos interdigitales para aplicaciones de dispositivos portátiles
Casi todas las aplicaciones de dispositivos portátiles tienen una estructura de electrodos planos y los electrodos de tipo vertical convencionales no se pueden usar en aplicaciones de dispositivos portátiles de próxima generación. Es bien sabido que las películas de nanofibras piezoeléctricas con electrodos planos ofrecen capacidades eléctricas únicas para una amplia gama de aplicaciones de dispositivos portátiles.
Este estudio fabricó electrodos interdigitales tipo cepillo y los depositó en películas de nanofibras piezoeléctricas híbridas dopadas con N-rGO para aplicaciones de dispositivos portátiles.
Los investigadores seleccionaron el N-rGO sintético para el enriquecimiento de nanofibras compuestas piezoeléctricas porque tiene una conductividad más alta que el rGO. El nitrógeno es esencial para eliminar defectos en la superficie rGO. Como resultado de esta mayor conductividad, se pueden mejorar las propiedades del electrodo flotante en materiales piezoeléctricos compuestos.
Los investigadores utilizaron el método de mapeo conforme para extraer diferentes combinaciones de permitividad dieléctrica mediante la simulación y el cálculo de las propiedades dieléctricas funcionales de los electrodos así fabricados. Estos electrodos también se han utilizado para desarrollar extractores de energía piezoeléctricos adaptativos para aplicaciones de dispositivos portátiles.
Hallazgos clave del estudio
Las propiedades del electrodo flotante mejoraron el generador de energía basado en nanofibras creado en este trabajo y aumentaron la potencia de salida. La potencia de salida se ha optimizado mediante el perfeccionamiento de la técnica de fabricación y la arquitectura de electrodos interdigitales. Se encontró que el potencial almacenado, el voltaje de circuito abierto y la potencia de salida eran 3,78 V, 12,4 V y 6,3 μW, respectivamente.
La permitividad dieléctrica general de las películas de nanofibras piezoeléctricas híbridas aumentó de 8,2 a 15,5 al incluir conductores cerámicos y N-rGO. Esta constante dieléctrica efectiva mejorada probablemente se deba a una mayor intensidad de flujo eléctrico como resultado de una mayor conductividad.
En base a estos resultados, es plausible concluir que los electrodos interdigitales compuestos por películas de nanofibras piezoeléctricas dopadas con N-rGO tienen un alto potencial para su uso en una variedad de aplicaciones de dispositivos portátiles en el futuro.
Relación
Ji, J.-H. et al. (2022). Síntesis de una película de nanofibras compuestas de polímero cerámico dopado con nitrógeno basada en óxido de grafeno reducido para aplicaciones de dispositivos portátiles. Informes científicos. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41598-022-19234-0
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