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La recolección de energía (EH) convierte la energía natural o no utilizada (como la pérdida de calor, la vibración, la luz y el flujo de aire) en energía utilizable. Un artículo publicado en la revista Materials investiga el comportamiento piezoeléctrico de los nanocables de ZnO con actuación mecánica.
Aprender: Respuesta piezoeléctrica y efecto de sustrato de nanocables de ZnO para la recolección de energía mecánica en aplicaciones de Internet de las cosas. Crédito: Roberto Lo Savio/Shutterstock.com
Internet de las Cosas – El futuro de las aplicaciones tecnológicas
El concepto de Internet de las cosas (IoT) se está realizando conectando cada vez más dispositivos físicos a Internet.
El Internet de las cosas permite que las cosas físicas intercambien datos y tomen decisiones, eliminando la necesidad de intervención humana.
Las aplicaciones de IoT incluyen automatización industrial, sensores, atención médica, transporte y respuesta de emergencia a desastres naturales y provocados por el hombre.
Retos actuales del Internet de las Cosas
Los desafíos actuales que enfrenta IoT incluyen el tamaño del dispositivo, la movilidad, las ubicaciones y números de implementación y las fuentes de alimentación para todos los nodos de dispositivos IoT.
Las fuentes de alimentación tradicionales (batería o cable) tienen importantes limitaciones. Las baterías deben revisarse regularmente y reemplazarse si es necesario.
Esto requiere la accesibilidad física de todos los nodos de IoT. Las baterías cargan el ecosistema con masas de desechos de baterías viejas. La entrega por cable también es costosa y difícil de cambiar, lo que limita la movilidad y la portabilidad de los dispositivos conectados a IoT.
Como resultado, la independencia energética sería un facilitador importante para el IoT y abriría la puerta para la futura expansión y crecimiento de la industria.
¿Qué es la recolección de energía?
El auge del mercado de Internet de las cosas y el desarrollo de dispositivos que consumen menos energía están impulsando la investigación de fuentes de alimentación alternativas que permitan la eliminación de cables y baterías.
Los avances tecnológicos a escala micro y nano han creado nuevas oportunidades para generar energía adecuada a partir de fuentes naturales o fuentes de desechos. Este método define la recolección de energía (EH).
Las diferentes fuentes de energía requieren una metodología de recolección de energía adaptada. Diferentes fenómenos físicos y topologías pueden generar diferentes cantidades de electricidad.
Cuando las densidades de energía en el rango de μW o mW se comparan con la energía requerida para alimentar dispositivos electrónicos modernos o nodos de Internet de las cosas modernos, un generador de recolección de energía bien elegido puede satisfacer las necesidades de energía de un Internet de las cosas moderno. cubrir completamente los nodos, haciendo dispositivos autoalimentados.
El papel de los nanocables piezoeléctricos de ZnO
La piezoelectricidad convierte las vibraciones mecánicas directamente en electricidad en un solo paso. Por lo tanto, el material piezoeléctrico es una parte esencial de esta conversión de energía.
Compuesto de elementos no tóxicos y abundantes, el óxido de zinc (ZnO) es un material piezoeléctrico intensamente investigado. Cabe destacar la posibilidad de sintetizar nanocables de ZnO que mejoren el comportamiento piezoeléctrico en el eje elegido.
La orientación de los nanocables de ZnO está fuertemente influenciada por el sustrato sobre el que se fabrican.
Resultados del estudio
En este estudio, el equipo demostró la formación de nanocables de ZnO utilizando un baño químico en un sustrato único: acero AISI 301.
Las aplicaciones mecánicas de EH fueron la consideración principal al seleccionar el sustrato. La tensión registrada tras la actuación mecánica repetida después de la deposición de nanocables de ZnO proporcionó un mecanismo para confirmar la aplicabilidad de los nanocables de ZnO en las tecnologías de IoT.
La capa activa a nanoescala de los nanocables de ZnO se depositó directamente sobre el sustrato, que se había preparado previamente mediante un método de siembra que utiliza la deposición de capa atómica (ALD) de óxidos delgados.
Se adaptó un enfoque estándar que utiliza ZnO puro como capa semilla para acelerar la formación de nanocables para tener en cuenta las características específicas de la superficie del acero AISI 301.
La capa de semillas de ZnO se modificó agregando una capa de 20 nanómetros de espesor de un óxido adicional: Al2O3. Esta capa de óxido adicional ayudó a reducir las dificultades de adhesión de la capa de ZnO-ALD.
La señal de voltaje observada se mantuvo estable después de cientos de actuaciones para cada muestra, lo que demuestra la resistencia de la capa piezoeléctrica al estrés mecánico sostenido.
La capa piezoeléctrica entregó una potencia significativa, suficiente para las actividades ordinarias de los dispositivos de Internet de las cosas. La densidad de potencia fue comparable a la de los nanocables de ZnO cultivados en un tipo diferente de sustrato flexible.
Estos resultados mostraron un gran potencial para el uso de nanocables de ZnO para generar energía para un nodo sensor inalámbrico en la Internet de las cosas. El proceso de fabricación propuesto para los nanocables de ZnO era económico y fácilmente escalable.
Relación
Wlazlo, M., Haras, M. y otros. (2022) Respuesta piezoeléctrica y efecto de sustrato de nanocables de ZnO para la recolección de energía mecánica en aplicaciones de Internet de las cosas. Materiales. quince. Disponible en: https://www.mdpi.com/1996-1944/15/19/6767
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