Un generador de energía eléctrica accionado por presión que explota un micro

Nov 28, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 16827 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Demostramos un dispositivo de recolección de energía impulsado por presión que utiliza agua y que cuenta con un filtro de vidrio con canales porosos. Empleamos la sinterización de polvo para fabricar el filtro de vidrio (2 cm de diámetro, 3 mm de espesor) empaquetando un polvo de partículas de vidrio de borosilicato en un molde de carbón y luego fusionándolo térmicamente a 700°C bajo presión. En el experimento de caudal constante, el radio de poro promedio óptimo del filtro para la generación de energía fue de 12 μm. Usando este filtro, se generó una potencia de 3,8 mW (27 V, 0,14 mA, 0,021 % de eficiencia energética) a una velocidad de flujo de agua de 50 mm/s. En el experimento de presión constante, se equipó un generador de energía con una unidad de prensa de pie con un peso de 60 kg (830 kPa) y 50 mL de agua. El radio de poro medio óptimo para la generación de energía en este experimento fue de 12 μm y se generó una potencia de 4,8 mW (18 V, 0,26 mA, 0,017 % de eficiencia energética) con una duración de 1,7 s. Esta fue suficiente energía para la iluminación LED directa y los condensadores podrían almacenar suficiente energía para hacer girar un ventilador y operar un comunicador inalámbrico. Nuestro dispositivo impulsado por presión es adecuado para la recolección de energía de movimientos lentos como ciertas funciones fisiológicas humanas, por ejemplo, caminar.

La recolección de energía es una tecnología prometedora para alimentar múltiples dispositivos electrónicos pequeños en la futura sociedad de Internet de las cosas (IoT)1. Las energías luminosa, térmica y mecánica suelen utilizarse para la recolección de energía. Entre ellos, la recolección de energía mecánica que obtiene energía eléctrica a partir de movimientos mecánicos de oscilación y vibración es bastante familiar para todos y se pueden obtener grandes cantidades de energía2,3. Por ejemplo, se han desarrollado y utilizado dispositivos de inducción electromagnética4,5,6, dispositivos piezoeléctricos (material electromecánico)7,8,9,10,11 y dispositivos electrostáticos12,13,14. Sin embargo, los dispositivos de inducción electromagnética miniaturizados tienen generalmente una baja eficiencia, lo que no es deseable. Los dispositivos piezoeléctricos o electrostáticos pueden miniaturizarse, pero la eficiencia de conversión disminuye cuando la frecuencia de vibración es pequeña (por ejemplo, menos de 10 Hz). Por lo tanto, es difícil que estos dispositivos aprovechen completamente los movimientos fisiológicos lentos regulares de un ser humano, por ejemplo, caminar.

En este artículo, nos enfocamos en los fenómenos que ocurren en un dispositivo de generación de energía eléctrica accionado por presión por la interacción entre el agua pura y un sólido cargado superficialmente (un filtro de vidrio). El principio detallado se explica a continuación. Este enfoque es útil para vibraciones de baja frecuencia porque la generación de energía continúa mientras haya agua en el dispositivo. Ha habido algunos informes sobre dispositivos de generación de energía basados ​​en este principio que utilizan silicio recubierto de vidrio15, compuesto de metal y carbono16 o celulosa17. Sin embargo, es difícil aplicar una alta presión a estos materiales debido a su fragilidad, por lo que la potencia que pueden generar no es tan alta.

Por otro lado, el vidrio es duro y robusto y se le puede aplicar una alta presión. Ha habido informes de generación de energía impulsada por la presión del agua utilizando canales de vidrio fabricados mediante métodos de micro o nanofabricación de arriba hacia abajo18,19,20,21. Sin embargo, tales dispositivos de generación de energía no son lo suficientemente potentes para la recolección de energía porque la corriente generada por canal es generalmente muy pequeña (del orden de los picoamperios).

Utilizamos vidrio poroso para aumentar el número de canales de poros en función de una investigación y optimización del proceso de fabricación del dispositivo. Aunque anteriormente se usaba vidrio poroso para la generación de energía22, la energía sigue siendo baja porque la fabricación de un filtro de vidrio poroso no se ha optimizado para la generación de energía. Existen numerosas tecnologías para fabricar muchos tipos de dispositivos de microfluidos basados ​​en vidrio23. Sobre la base de estos conceptos y tecnologías, nuestro objetivo en este estudio fue investigar el efecto del tamaño de los poros en el rendimiento de la generación y desarrollar un dispositivo real de recolección de energía que consiste en un filtro de vidrio poroso y una unidad de prensa de pie para transferir la fuerza del pie de un experimentador. presionando el generador de energía para demostrar la recolección de energía real.

Un método de generación de energía similar, la generación de energía osmótica mediante membranas de nanoporos, es bien conocido24. Ese método extrae energía al mezclar soluciones salinas de diferentes concentraciones utilizando un material nano poroso que incluye carbono25, óxido de aluminio26 o nitruro de silicio27. La diferencia importante es que la generación de energía osmótica requiere un gradiente de concentración de iones y no se puede usar presión externa.

El principio de la generación de energía eléctrica por presión de agua se muestra en la Fig. 1a. Se supone que el agua pura fluye hacia los canales de vidrio de tamaño nano o micro. Las moléculas de agua se disocian parcialmente por equilibrio térmico y se ionizan en protones (H+) e iones hidroxilo (OH-). Cuando se introduce agua en canales pequeños, es fácil que el H+ que se produce entre en los canales, pero no lo es para el OH−. Esto se debe a que la superficie del canal de vidrio está cargada negativamente debido a los grupos silanol en la superficie después de que las especies H+ se separan en el agua. Como resultado, la concentración de H+ aumenta en la salida mientras que la concentración de OH− aumenta en la entrada. Es decir, el canal de vidrio funciona como un filtro de iones si el tamaño del canal es muy pequeño.

Diseño y principio del generador de energía eléctrica accionado por presión utilizando un filtro de vidrio poroso. (a) Principio de generación eléctrica por presión en un canal de vidrio de escala micro a nano. Los fenómenos de estos esquemas superior e inferior ocurren al mismo tiempo. Los parámetros utilizados en las Ecs. (1) y (2) también están definidos. (b) Diseño transversal del generador de energía prototipo.

En esta situación, la transferencia de energía eléctrica se produce conectando electrónicamente la entrada y la salida mediante un cable. En el electrodo de entrada, el OH− forma moléculas de oxígeno y agua y produce electrones. En el electrodo de salida, el H+ toma electrones y forma moléculas de hidrógeno. La corriente fluye por estas reacciones. Después de que los iones reaccionan y se consumen en las generaciones de moléculas de gas, se producen nuevos iones a partir del agua restante para mantener el equilibrio térmico. Si las moléculas de hidrógeno y oxígeno gaseosas producidas pueden recombinarse como agua mediante una reacción catalítica, este ciclo de reacción puede ocurrir continuamente, y también los gases podrían usarse como fuente de energía. En realidad, las cantidades de gases de hidrógeno y oxígeno generadas no son muchas (normalmente del orden de nanogramos para un ciclo de reacción que dura varios minutos). Por lo tanto, en este informe utilizamos energía eléctrica generada por un filtro de iones.

Teóricamente, el voltaje de generación (V) está descrito por la Ec. (1), la ecuación de Helmholtz-Smoluchowski28:

donde ε es la permitividad, ξ es el potencial zeta, µ es la viscosidad, K es la conductividad del agua y ΔP es la presión aplicada. Dado que ε, ξ, µ y K son parámetros fijos decididos por las propiedades de la superficie y del agua y no están relacionados con la geometría del canal, V es simplemente proporcional a ∆P. Además, ΔP se describe mediante la ecuación. (2), la ley de Hagen-Poiseuille29:

donde D es el diámetro relativo del canal, L es la longitud del canal y Q es el caudal. De las Ecs. (1) y (2), es claro que D debe ser menor para mejorar el voltaje si Q es constante. Para mejorar el rendimiento de la generación de energía, se deben diseñar canales paralelos más pequeños con un área lo más grande posible. En este contexto, el uso de vidrio poroso es una opción de diseño racional.

La figura 1b muestra el diseño de un prototipo de dispositivo generador de energía. Se usó un anillo de empaque de goma para encajar firmemente un filtro de vidrio poroso (2 cm de diámetro y 3 mm de grosor) en un portafiltro disponible comercialmente que se había modificado ligeramente (p. ej., se afeitó la abertura para la conexión del tubo para agrandarla). Se colocó un electrodo de malla de cobre por encima y por debajo del filtro de vidrio. Los tubos de entrada y salida se unieron con pegamento epoxi en los lugares indicados en la figura.

Primero establecimos el proceso de fabricación del filtro de vidrio poroso y luego investigamos la estructura para varias condiciones de fabricación. Los detalles de fabricación se describen en la Fig. 2a y en la sección Métodos. Empleamos la sinterización de polvo empaquetando un polvo de partículas de vidrio de borosilicato en un molde de carbón y fusionándolo térmicamente bajo la presión aplicada desde un peso como se muestra en la Fig. 2b-d. Aunque la fabricación por láser30,31,32 se usa comúnmente para hacer filtros de vidrio, la sinterización es más simple y proporciona filtros robustos con una gran cantidad de canales. Se fabricó una placa de filtro de vidrio de borosilicato (diámetro de 2 cm) (Fig. 2e). Normalmente para la unión hermética por fusión térmica de vidrio se utiliza una temperatura de 750 °C33,34. Sin embargo, a esta temperatura, las partículas de vidrio de borosilicato se derritieron por completo y adquirieron un color gris y el agua no pudo pasar a través de ellas. Basándonos en nuestras experiencias previas35,36, el vidrio y el vidrio se pueden unir entre sí si se aplica presión incluso a una temperatura más baja y aquí usamos las temperaturas de sinterización de 680–720 °C. En estas condiciones, obtuvimos buenos filtros de vidrio sin decoloración por degradación. Sin embargo, la observación con un microscopio mostró que el borde de las partículas de vidrio se fundió ligeramente a 710 y 720 °C (Fig. 2f). Además, el filtro era bastante frágil cuando se sinterizaba a 680 y 690 °C.

Fabricación e investigación de estructuras de filtros de vidrio poroso. (a) Procedimiento de fabricación de filtros de vidrio. (b) Molde de carbón para fabricar filtros de vidrio. (c) Un agujero en el molde se llena con polvo de vidrio. (d) Configuración en un horno con un peso de alúmina. (e) Filtro de vidrio fabricado. (f) Imágenes SEM de superficies de filtro de vidrio poroso después de la sinterización a la temperatura indicada en la parte superior de cada imagen. ( g ) Resultados de la porosimetría de mercurio de los filtros de vidrio poroso sinterizados a varias temperaturas. Las líneas negras y rojas indican el volumen de poro por masa (V) y la distribución del radio de poro (R) (derivación de V por R), respectivamente. ( h ) Imágenes SEM de las superficies del filtro de vidrio poroso sinterizadas a 700 ° C con polvo de vidrio molido y el tiempo de molienda indicado en la parte superior de cada imagen. (i) Resultados de la porosimetría de mercurio de los filtros de vidrio poroso sinterizados a 700 °C utilizando polvo de vidrio esmerilado y el tiempo de molienda indicado en la parte superior de cada imagen. Las barras de escala se muestran en las imágenes SEM de (f) y (h).

La distribución del tamaño de los poros se midió mediante la porosimetría de mercurio para filtros preparados a varias temperaturas de sinterización y los resultados se representan en la Fig. 2g. El pico en la distribución del tamaño de poro no fue tan diferente a diferentes temperaturas. A todas las temperaturas, el pico fue de 20 μm (radio de poro promedio). Pero la altura del pico disminuyó cuando la temperatura era más alta. Esto significó que los poros se llenaron de vidrio fundido cuando se incrementó la temperatura de sinterización. Considerando los hallazgos y para evitar la fragilidad, concluimos que la temperatura óptima de sinterización fue de 700 °C. Usamos esta condición para investigar el efecto del tamaño de partícula en la fabricación del filtro de vidrio a continuación.

Para controlar el tamaño de las partículas de vidrio, se molieron las partículas. Las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM) y los histogramas de diámetro de partículas molidas con varios tiempos de molienda se muestran en la Fig. S1. El diámetro promedio de Feret, definido como la distancia entre dos planos paralelos que restringen el objeto perpendicular a esa dirección, podría controlarse entre 4 y 150 μm.

Las partículas molidas se utilizaron para fabricar filtros de vidrio con sinterización a 700 °C. De las imágenes SEM (Fig. 2h), vimos que la mayoría de las partículas mantuvieron sus formas, aunque se observó que las partículas pequeñas se derritieron parcialmente, especialmente en tiempos de molienda más largos. Esto fue consistente con los resultados de la distribución del tamaño de los poros (Fig. 2i). A los tiempos de molienda de 0, 5, 10, 20 y 30 min, hubo picos a 20, 12, 8, 5 y 1 μm (radio de poro promedio), respectivamente. En el tiempo de molienda de 40 min, fue difícil encontrar un pico. Esto indicó que el tamaño de los poros se hizo pequeño cuando se incrementó el tiempo de molienda, pero el volumen de los poros (altura del pico) disminuyó debido a la fusión de las partículas pequeñas. Especialmente a tiempos de molienda de 30 y 40 min, los tamaños de los poros eran de escala nanométrica y la altura del pico era muy pequeña. Estas propiedades están profundamente relacionadas con el rendimiento de generación de energía eléctrica que investigamos a continuación.

Usando los filtros de vidrio poroso fabricados, demostramos el generador de energía eléctrica e investigamos el efecto del tamaño de los poros usando un sistema de suministro de agua a velocidad constante (Figs. 3a-c). El generador de energía se construyó colocando un filtro de vidrio en un portafiltro comercial modificado e insertando los electrodos por encima y por debajo del filtro (Fig. S2). Todos los experimentos que utilizaron el sistema de suministro de agua se llevaron a cabo a temperatura ambiente. Se introdujo en el generador agua pura desionizada producida con un sistema Milli-Q y se generó un voltaje (Fig. 3d). También se confirmó la generación repetitiva de voltaje. Se observó una ligera disminución de voltaje, pero esto probablemente se debió a que reciclamos el agua. Se optimizaron el número de malla y la distancia entre el filtro de vidrio y el electrodo de malla y estos resultados se resumen en la Fig. S3.

Caracterización del rendimiento de generación de energía de filtros de vidrio fabricados. (a) Configuración para la caracterización de los filtros de vidrio. El sistema de suministro de agua introduce agua en el generador y hace circular mediante válvulas de retención. El voltaje medido es registrado por una PC a través de una placa de E/S. (b) Foto del generador equipado con el filtro de vidrio y los electrodos. (c) Foto del sistema de suministro de agua. ( d ) Curso de tiempo de voltaje de la generación de energía repetitiva utilizando el filtro sinterizado a 700 ° C y 5 min de tiempo de molienda de polvo de vidrio. La velocidad del sistema de suministro de agua fue de 20 mm/s. (e) Cursos temporales de voltaje utilizando los filtros de vidrio poroso sinterizados a la temperatura indicada en la parte superior de cada gráfico. Cada gráfico muestra el voltaje durante 3 ciclos de prensado a velocidades del sistema de suministro de agua de 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40 y 50 mm/s. (f) Voltaje, corriente y potencia estimada de los generadores frente a la temperatura de sinterización de los filtros de vidrio a la velocidad del sistema de suministro de agua de 50 mm/s. Los gráficos de voltaje y corriente representan el promedio ± SD (n = 3). ( g ) Cursos de tiempo de voltaje usando los filtros de vidrio poroso sinterizados a 700 ° C con el radio de poro promedio indicado en la parte superior de cada gráfico. Las condiciones de suministro de agua fueron las mismas que en (e). (h) Voltaje, corriente y potencia estimada de los generadores versus radio de poro promedio. Los gráficos de voltaje y corriente representan el promedio ± SD (n = 3).

Como se muestra en las Fig. 3e y f, el voltaje era proporcional a la velocidad del flujo de agua. A la misma velocidad, el rendimiento de generación de voltaje fue casi igual usando los filtros sinterizados a 680, 690 y 700 °C, pero disminuyó para los filtros sinterizados a 710 y 720 °C. Esto significó que los pequeños poros desaparecieron a temperaturas de sinterización más altas. La corriente se midió a partir de la pendiente del voltaje ahorrado en un capacitor durante el flujo de agua (Fig. S4). Esta corriente generada tuvo una tendencia similar a la del voltaje, aunque el rendimiento máximo se observó para el filtro sinterizado a 700 °C. Esto se debió simplemente a que el número de poros pequeños aumentó con el incremento de la temperatura hasta 700 °C, pero a temperaturas más altas los poros se cerraron casi por completo. El voltaje, corriente y potencia calculados por el producto de voltaje y corriente tuvieron picos (11 V, 74 μA y 0.80 mW, respectivamente) para el filtro sinterizado a 700 °C. A partir de este resultado, juzgamos que la temperatura de sinterización de 700 °C proporcionaba el filtro óptimo para el generador de energía.

Luego, los filtros hechos de partículas molidas sinterizadas a 700 °C se usaron para el experimento de generación de energía. Como se muestra en las Fig. 3g y h, el filtro fabricado con un tiempo de molienda de 5 min (radio de poro promedio de 12 µm) proporcionó los valores máximos de voltaje, corriente y potencia de 27 V, 0,14 mA y 3,8 mW, respectivamente.

También analizamos el rendimiento del generador de energía en detalle utilizando los resultados de la medición de la fuerza para evaluar la validez de los datos del método de generación basado en la presión del agua. La fuerza y ​​la presión aplicadas a la jeringa por el sistema de suministro de agua se midieron mediante un transductor de fuerza y ​​los resultados se muestran en la Fig. S5. La fuerza era generalmente proporcional a la velocidad y la finura del filtro.

A partir de estos resultados, era razonable que el voltaje generado aumentara para los filtros fabricados sin fresado (radio de poro promedio de 20 μm) a 5 minutos de tiempo de fresado (radio de poro promedio de 12 μm) de acuerdo con el incremento de presión de acuerdo con las Ecs. (1) y (2), pero el voltaje generado disminuyó para los filtros fabricados con tiempos de molienda más largos debido al cierre de los poros. Especialmente para los tiempos de molienda de 30 min o más (5 μm o radio de poro promedio menor), los filtros no pudieron soportar la presión y se rompieron durante el experimento. Por lo tanto, no teníamos datos para estas condiciones. Otra razón puede ser que las propiedades eléctricas del agua en canales de submicroescala sean diferentes de las de un espacio a granel37,38. Considerando una fuerza aplicada de 350 N al agua y la velocidad de empuje de la jeringa (50 mm/s), la eficiencia de potencia máxima utilizando un filtro fabricado con un tiempo de molienda de 5 min (radio de poro promedio de 12 μm) se calculó como 0,021 %.

Aunque el generador de energía se verificó en la sección anterior, nos preocupaba que la corriente fuera generada por impurezas incluidas en el vidrio de borosilicato. Para confirmar que la generación fue causada únicamente por la interacción entre la superficie del vidrio y el agua, usamos partículas de sílice fundida que casi no incluían impurezas para el filtro. El resultado se resume en la figura S6. El filtro de sílice fundido fabricado se muestra en la Fig. S6b. Aunque este filtro era más frágil que los filtros de vidrio de borosilicato, podría usarse para un experimento de generación de energía a una velocidad de flujo de agua baja de menos de 20 mm/s. Se confirmó la generación repetitiva de voltaje y el flujo de agua fue uniforme, como lo muestran los datos de medición de fuerza (Fig. S6d). A partir de estos resultados, confirmamos que la generación de energía eléctrica no fue causada por impurezas en el vidrio de borosilicato.

Siguiendo las investigaciones fundamentales de las secciones anteriores, fabricamos un prototipo de dispositivo de generación de energía con una unidad de prensa de pie como se muestra en la Fig. 4a-c. Se midieron la potencia y la duración continua de la generación. La unidad de prensa de pie (Fig. 4b) incluía una jeringa y su soporte, un soporte para el generador de energía y una cubierta; y la unidad fue diseñada para transferir fácil y efectivamente la fuerza externa aplicada al agua en la jeringa. Introducimos 50 mL de agua pura desionizada (agua Milli-Q) en la jeringa que se colocó en la unidad. Se aplicó un peso de aproximadamente 60 kg (588 N, correspondiente a una presión de 830 kPa) cuando un experimentador presionó esta unidad con el pie (Fig. 4c). El método de medición y registro eléctrico fue el mismo que para el experimento del efecto del tamaño.

Demostración y aplicación del generador de energía eléctrica equipado con una unidad de prensa de pie. (a) Un circuito para almacenamiento de condensadores y aplicaciones de conducción de dispositivos. Se conectó un generador a los puertos 0 y 1. Para aplicaciones de ahorro de energía, el generador se usó sin conectar los puertos 2 y 3. (b) Dibujos esquemáticos que muestran el movimiento de trabajo de la unidad de prensa de pie. (c) Foto de la unidad de prensa de pie. (d) Evolución temporal de la tensión utilizando filtros de vidrio poroso sinterizados a 700 °C con polvo de vidrio esmerilado para el radio de poro medio indicado en la parte superior de cada gráfico. Cada gráfico muestra el voltaje durante 1 ciclo de prensado utilizando un peso de 60 kg (presionado con el pie por un experimentador) a partir de aproximadamente 2 s. (e) Voltaje, corriente, duración de generación de energía, potencia y energía estimadas del generador versus radio de poro promedio. Los gráficos de voltaje y corriente representan el promedio ± SD (n = 3). (f) Aplicación de iluminación LED directa conectando el LED al generador (sin interruptor ni condensador). La foto superior muestra la configuración general y las 2 fotos inferiores son antes y después de presionar con el pie. (g) Aplicación al accionamiento de un rotador ahorrando energía en el condensador. La foto superior muestra la configuración general y las 2 fotos inferiores muestran el rotador (ventilador) y la pantalla del multímetro que proporciona el voltaje acumulado en el capacitor antes y después de encender el interruptor para liberar la energía en el capacitor. (h) Aplicación a una herramienta de comunicación inalámbrica transportando energía almacenada en el condensador. Después de la acumulación de energía, la herramienta de comunicación envía automáticamente una señal a la PC. La foto superior derecha muestra la configuración general y la foto superior izquierda es una imagen ampliada del capacitor y el emisor. Las fotos del medio y la parte inferior son capturas de pantalla generadas por el software para confirmar la recepción y el envío de la señal.

La unidad de prensa de pie fue impulsada suavemente por los movimientos de presión del pie del experimentador, y podría usarse continuamente al menos 100 veces durante un experimento. Los 50 ml de agua se usaron repetidamente recuperándolos cada vez después de terminar el movimiento de presión hasta 50 veces en un experimento. Las figuras 4d y e muestran los resultados experimentales de generación de energía. El voltaje aumentó inmediatamente después de aplicar la presión (en t = 2–3 s) y cayó a cero cuando se vació toda el agua de la jeringa. El voltaje y la corriente generados alcanzaron su punto máximo usando el filtro fabricado con un tiempo de molienda de 5 min (radio de poro promedio de 12 μm). Este fue el mismo resultado que se obtuvo para el experimento usando el sistema de suministro de agua a velocidad constante. Sin embargo, la duración de la generación de energía aumentó cuando aumentó el tiempo de molienda, porque este experimento usó una presión constante para la generación (la presión del pie del experimentador). Por el contrario, la velocidad de flujo disminuyó cuando el tamaño de los poros se hizo más pequeño (Fig. S7a). Entonces, considerando la duración, el gráfico de energía cosechada frente al tiempo de molienda tenía un pico desplazado a la derecha en comparación con el gráfico de potencia (Fig. 4e). El voltaje, la corriente y la potencia tuvieron picos de 18 V, 0.26 mA y 4.8 mW, respectivamente, para el filtro elaborado con el tiempo de molienda de 10 min (radio de poro promedio de 8 μm). Dado que la energía se generó durante 1,7 s para este filtro, la energía recolectada fue de 6,8 mJ. Teniendo en cuenta la fuerza aplicada (588 N) y el desplazamiento de empuje de la jeringa (70 mm), calculamos que la eficiencia de potencia máxima para el filtro fabricado con el tiempo de molienda de 10 min (radio de poro promedio de 8 μm) fue de 0,017 %.

Para demostrar que la potencia obtenida era capaz de impulsar circuitos y dispositivos electrónicos, llevamos a cabo una prueba de iluminación con diodos emisores de luz (LED), una prueba de rotación del ventilador y una prueba de herramienta de combinación inalámbrica. Primero, se iluminó una luz LED a través de una conexión directa sin utilizar un condensador. La configuración experimental se muestra en la Fig. 4f y la Película complementaria 1. El tiempo de prensado para exprimir toda el agua almacenada de la jeringa a través del filtro de vidrio fue de aproximadamente 2 s. El LED se encendió durante este tiempo de prensado. Esta aplicación es fácil de entender y podría usarse para iluminar cuando una persona camina en un lugar oscuro.

Se ensambló un miniventilador a partir de un minimotor y otras piezas impresas en 3D y se condujo de manera similar a la iluminación LED, como se muestra en la Fig. 4g. Pero a diferencia de la iluminación LED, se necesitaba más electricidad para la rotación del ventilador. Por lo tanto, usamos un capacitor con una gran capacitancia (4700 µF) y el capacitor se cargó con presiones de 50 pies. El voltaje almacenado en el condensador se midió como 5,2 V. El generador de energía con filtro de vidrio produjo suficiente electricidad para hacer girar el miniventilador. Los resultados experimentales relacionados se dan en la Película complementaria 2. Demostramos que era factible manejar algo como el mini ventilador, que podría usarse para enfriar cuando una persona camina.

Finalmente, se condujo una herramienta de comunicación inalámbrica como se muestra en la Fig. 4h; estas herramientas se usan ampliamente para el monitoreo inteligente al enviar constantemente una señal sobre el entorno inmediato que incluye cambios de temperatura, luz y movimiento39. El generador de señales estaba conectado a un condensador (2200 µF) y enviaba automáticamente la señal después de que la energía (alrededor de 0,2 V) se almacenaba en él. Cuando se pisaba dos veces la unidad de prensa de pie, la herramienta de comunicación inalámbrica transmitía señales al receptor de señales que eran monitoreadas por la PC. El movimiento de captura de la señal real se muestra en la Película complementaria 3. Cuando un kit inalámbrico compuesto por un generador de señal y un condensador fue alimentado por el dispositivo de generación de energía del filtro de vidrio, simultáneamente activó señales y las envió al receptor. Una vez recibidas las señales, se reflejaba su recepción en el monitor hasta consumir toda la tensión del condensador. Enviamos señales a una distancia de 3 m en este experimento. Esta aplicación sería práctica para el control de la salud personal.

De acuerdo con el principio de generación eléctrica, se generan gases de hidrógeno y oxígeno. Aquí, estimamos cuánto volumen se generó. La cantidad de sustancia de hidrógeno (nh) se puede calcular mediante la ecuación. (3):

donde I es la corriente, t es la duración de la generación de energía y F es la constante de Faraday (9,6 × 104 C/mol). En el experimento de prensa de pie, la corriente más grande (I) fue de 0,26 mA y la duración correspondiente (t) fue de 1,7 s. En esta condición, nh se calculó como 24 nmol (48 ng). La cantidad de sustancia de oxígeno (no) fue la mitad de nh, que se calculó como 12 nmol (380 ng). Dado que el volumen de agua en este experimento fue de 50 ml, las concentraciones de hidrógeno y oxígeno se estimaron en 0,96 ppb y 7,7 ppb, respectivamente. Concentraciones tan bajas son difíciles de medir incluso utilizando dispositivos de control de gases disponibles comercialmente con alta sensibilidad. Para medir los gases, la corriente debe aumentarse significativamente.

Sin embargo, es importante confirmar que la generación actual no fue causada por otras razones (por ejemplo, vibración o ruido). Por lo tanto, hemos obtenido los datos del control negativo. El voltaje generado al aplicar una presión de 830 kPa usando la unidad de prensa sin un filtro de vidrio en el generador se muestra en la Fig. S7b. Fue de 0,12 ± 0,04 V (n = 3, ± SD) y significativamente menor que los datos con filtros de vidrio. A partir de este resultado, se confirmó el principio de la generación.

Además, investigamos la influencia del flujo en la resistencia de un filtro de vidrio. Si la resistencia cambió significativamente por el flujo, es posible que la corriente no se mida correctamente debido a la corriente de fuga. La simulación se agregó en la Fig. S8. Muestra que la resistencia era casi la misma independientemente de la presencia o ausencia de flujo. Además, la resistencia eléctrica se midió realmente usando la unidad de prensa y el filtro con un radio de poro promedio de 8 μm. Las resistencias sin y con flujo (35 mL/s) fueron 1,50 ± 0,14 MΩ (n = 3, ± SD) y 1,41 ± 0,10 MΩ (n = 3, ± SD). No se observó ninguna diferencia significativa. Además, en comparación con la resistencia del circuito externo calculada a partir del voltaje y la corriente medidos en la Fig. 4e (68 kΩ), la resistencia del filtro fue lo suficientemente grande como para evitar la fuga de corriente. A partir de estos resultados, concluimos que el flujo no influye en la resistencia eléctrica.

El rendimiento máximo del generador de energía eléctrica accionado por presión en este experimento usando la unidad de prensa de pie fue de 4.8 mW (18 V, 0.26 mA, 0.02% de eficiencia energética), con una duración de 1.7 s cuando se usa el filtro con un tamaño de poro promedio de 8 μm que había sido sinterizado a 700 °C. Comparamos el rendimiento con el de los dispositivos de recolección de energía mecánica informados anteriormente. La Tabla 1 los resume en una comparación de principio, material y rendimiento con un énfasis especial en la comparación entre dispositivos con el mismo principio de ser accionados por presión de agua.

El dispositivo electromagnético6 genera una gran potencia, pero tiene un gran tamaño. Los dispositivos piezoeléctricos8 y electrostáticos14 son bastante pequeños, pero la duración de la generación de energía es breve. Por lo tanto, es difícil usarlos para movimientos con un período largo (es decir, más de 1 s). Por otro lado, la duración de la generación de energía de nuestro dispositivo es larga porque la generación continúa mientras quede agua en el dispositivo. Entre los enfoques de generación basados ​​en la presión del agua, los materiales distintos del vidrio, incluido el silicio recubierto de vidrio15, el compuesto de metal y carbono16 o la celulosa17, solo pueden proporcionar una pequeña potencia (menos de unos pocos microvatios) porque no se puede aplicar una alta presión debido a la fragilidad del materiales, y por lo tanto los voltajes generados no son tan altos (menos de 1 V).

La mayor parte de la generación de energía convencional con el mismo principio ha utilizado los micro o nanocanales fabricados por fotolitografía18,19,20,21. La generación de energía de los dispositivos que utilizan canales de vidrio hechos por fotolitografía es mucho menor (menos de 1 μW). Aunque el vidrio puede soportar altas presiones y, por lo tanto, se pueden generar voltajes más altos que otros materiales, las corrientes son muy bajas (unos pocos microamperios o menos). El objetivo principal de estos estudios es investigar las propiedades de la superficie y los fluidos. Para este propósito, es importante definir la geometría del canal mediante fotolitografía, pero la corriente es pequeña debido a la dificultad de la integración 3D de los canales. También hay un informe que usa un filtro de vidrio sinterizado22. Sin embargo, este estudio utilizó un filtro disponible comercialmente. Esto no está optimizado para la generación de energía. Por lo tanto, el voltaje era bajo (22 mV) y, en consecuencia, la potencia seguía siendo baja (20 nW), en parte debido a la fragilidad del vidrio poroso. Por otro lado, tenemos filtros de vidrio fabricados desde cero. Hemos aplicado la técnica de unión vidrio-vidrio a baja temperatura mediante la aplicación de presión durante el proceso de sinterización35,36, y logramos fabricar filtros de vidrio resistentes que se pueden usar incluso a una presión de fluido de 830 kPa. Por lo tanto, la potencia generada mejoró en 4 órdenes de magnitud.

En general, fabricamos un generador de energía eléctrica utilizando un filtro de vidrio poroso para el cual optimizamos el proceso de fabricación y demostramos la generación de energía durante más de 1 segundo. Esto es suficiente para usos de circuitos normales, como la potencia de condensación mediante condensadores o el aumento de voltaje y, por lo tanto, demostramos la utilidad como generador de recolección de energía. Este sistema puede ser un modelo prototipo para un generador de energía eléctrica como fuente de energía para varios dispositivos de interfaz humana basados ​​en un sistema de conversión de comportamiento mecánico humano. Este sistema utiliza la actuación de baja frecuencia como fuente de energía, por lo que es un suministro de energía limpio y seguro con muchas posibles aplicaciones futuras.

Además, esta generación basada en iones es básicamente similar a nuestro generador de rayos eléctricos demostrado anteriormente40. Ese generador usaba órganos eléctricos del rayo que integraban una serie de bombas de iones (proteínas de membrana) que pasaban iones específicos usando trifosfato de adenosina (ATP) como fuente de energía para transportar iones. Nuestro generador de energía eléctrica accionado por presión puede considerarse como uno de los productos inspirados en tales dispositivos de fusión de vida mecánica41,42,43.

Los filtros de vidrio se fabricaron de dos maneras. En el primero, se colocó una frita de vidrio de borosilicato (Furuuchi Chemical Corporation, Tokio, Japón) en el orificio de un molde de carbón (Beijing Jinglong Special Carbon Co., Ltd, Beijing, China) (diámetro del orificio de 2 cm y profundidad de 3 cm). mm) y la frita se estaba sinterizando. En la segunda forma, se utilizó un polvo de partículas de vidrio molidas. Se molieron manualmente 3 g de partículas gruesas en un mortero (As One, Osaka, Japón), y la velocidad de rotación fue constante a 120 rpm. El tiempo de molienda fue monitoreado por un cronómetro. El polvo se colocó en todo el molde de carbono y luego se colocaron pesas de alúmina (60 g/placa, Yunyi Electronic Co., Ltd, Guangzhou, China) en cada orificio lleno de partículas (3 placas/plantilla) para aplicar presión. El polvo de vidrio se sinterizó en un horno de vacío (KDF-900GL, Denken, Kyoto, Japón) para fabricar el filtro. La temperatura se elevó a la temperatura deseada (680-720 °C) durante 2 h y luego se mantuvo durante 5 h. Luego, el molde que contenía el filtro sinterizado se enfrió a temperatura ambiente durante 8 h. Todos los procedimientos de sinterización se llevaron a cabo en condiciones de vacío.

Se fabricaron filtros de sílice fundida con un procedimiento similar usando polvo de SiO2 (Furuuchi Chemical Corporation). Dado que la temperatura de reblandecimiento de la sílice fundida es bastante alta, utilizamos la temperatura de sinterización de 1100 °C durante 10 h en condiciones de vacío para la solidificación provisional seguida de 1150 °C durante 5 h para el endurecimiento utilizando un horno sin vacío (KDF-S80 , Denken, Kioto, Japón) sin molde de carbono. Tenga en cuenta que la solidificación provisional tuvo lugar en el molde, luego se retiró el molde y solo se endureció el filtro utilizando un horno sin vacío.

El procedimiento para esto ha sido descrito en otro lugar44. Brevemente, los filtros de vidrio sinterizado se rompieron en pedazos pequeños (menores de 1 cm de diámetro). Luego, se fijaron en un porosímetro de mercurio automático (Pascal 140 para baja presión o Pascal 240 para alta presión; MicrotracBEL, Osaka, Japón). La tensión superficial y el ángulo de contacto del mercurio utilizados en esta medición fueron 0,48 N/m y 141,3°, respectivamente.

Se prepararon un portafiltros (Swinnex Filter Holder Φ25mm, Merck, MA, EE. UU.), una conexión luer (VPRM406, ISIS, Osaka, Japón), una lámina de malla de cobre (#100, Eggs Store, Tokio, Japón) y tubos de silicona. La salida del portafiltro se afeitó con un enrutador de hobby (HRT-86, Takagi, Niigata, Japón) para expandir la abertura. El accesorio luer se unió a la parte superior del soporte del filtro y se conectó al tubo de silicona (4 mm de diámetro). La parte inferior del soporte se unió a otro tubo de silicona (10 mm de diámetro). Se cortaron dos círculos (diámetro de 20 mm) de la malla de cobre, y se colocó un círculo encima y el otro debajo del filtro para los electrodos. Finalmente, los cables conductores se unieron a los electrodos mediante soldadura a través de orificios perforados en los tubos de silicona.

Se introdujo agua desde una jeringa de 50 ml (SS-50ESZ, Terumo, Tokio, Japón) en el generador de energía a una velocidad constante mediante un actuador lineal. La velocidad del actuador lineal (LEY32C-150, SMC, Tokio, Japón) fue controlada por un controlador ACT (versión 1.2.0.0, SMC). El agua se hizo circular en una dirección empujando y tirando del pistón de la jeringa mediante el actuador lineal a través de una válvula de retención (AS-1022, ASOH, Osaka, Japón).

Las señales de voltaje, corriente y fuerza fueron enviadas a una PC a través de una placa I/O (MF644, Humusoft, Praga, República Checa). con MATLAB R2020a (versión 9.9.01467702, MathWorks, MA, EE. UU.) y Simulink (versión 10.2, MathWorks) en la PC. Se colocó un sensor de calibre extensométrico (LSM-50K-B, MinebeaMitsumi, Nagano, Japón) en la parte superior del pistón de la jeringa. La señal de fuerza también se envió a la placa de E/S a través de un amplificador de tensión (DPM-951A, Kyowa Electronic Instruments, Tokio, Japón). Se empleó un divisor de tensión de 1 MΩ con resistencias conectadas en serie de 2, 5 y 10 MΩ que se seleccionaron de acuerdo con el rango de tensión medido. La corriente fue calculada por la pendiente del voltaje almacenado en un capacitor (200 μF) durante la presión del pie del experimentador. Para la unidad de prensa, un registrador de datos (NR-600, Keyence, Osaka, Japón) con un sistema de medición analógico de alta velocidad (NR-HA08, Keyence) y software (WAVE LOGGER PRO (versión R4.02.00), Keyence) sirvieron para grabar. Los datos se registraron a intervalos de tiempo de 1 ms.

Diseñamos y fabricamos una unidad accionada por energía de presión de pie grande (Fig. 4b) para la demostración de la generación de energía. La unidad tenía un soporte de jeringa (59 mm de diámetro) y una jeringa (31 mm de diámetro). También disponía de una tapa cuadrada (100 mm × 100 mm) con forma de cilindro interior moldeado (de 85 mm de diámetro en el que encajaba el portajeringas) para ampliar el área de aplicación de la fuerza y ​​limitar las direcciones de trabajo, y un soporte cilíndrico interior (34 mm de diámetro) para mantener estable toda la unidad. Los componentes de la unidad se fabricaron utilizando una impresora de modelado por deposición fundida (FDM) 3D (Black Knight, Magic maker, Chongqing, China). El material utilizado para esta unidad fue ácido poliláctico (PLA). El diseño se dibujó utilizando un software de diseño (Fusion 360, Autodesk, CA, EE. UU.).

Se utilizó una luz LED (3 mm, 3,3–3,6 V, 18 mA) para la prueba de iluminación y no se utilizó resistencia. La energía almacenada en un capacitor se midió con un multímetro (MS8233D, Crenova, China). Para la rotación del miniventilador, se utilizó un minimotor (DC 1.5–3 V/40 mA, 11 × 4 mm, Uxcell Micro Vibrating Motor (OEM), Hong Kong, China) y otras piezas impresas en 3D. Para la prueba de la herramienta de comunicación inalámbrica se utilizó un generador de señales (STM320, EnOcean, Oberhaching, Alemania) con un receptor de señales (USB 400 J, EnOcean) y un kit inalámbrico (ESK300U, EnOcean).

Las imágenes SEM de las partículas de vidrio se adquirieron con un microscopio electrónico de barrido (VE-8800, Keyence) y se analizaron con el software de código abierto ImageJ (versión 1.8.0_172)45. El software midió automáticamente los diámetros promedio de Feret después de que los datos de la imagen se binarizaran como blanco-negro. Los videos e imágenes adquiridos para los experimentos de aplicación fueron editados por un software comercial (PowerDirector 16 (versión 16.0), CyberLink, New Taipei City, Taiwán).

La resistencia estática del filtro se midió utilizando un multímetro de alta precisión (multímetro Fluke 83, Washington, EE. UU.). En condiciones de flujo, se construyó un circuito simple para estabilizar la corriente y separar el voltaje total generado a una resistencia de referencia (2,05 MΩ). Esto se debe a que es difícil medir la resistencia usando un multímetro directamente. De acuerdo con la ley de Ohm simple, se estimó la resistencia en condiciones de flujo. La simulación numérica se llevó a cabo utilizando módulos AC y CFD de software comercial (COMSOL Multiphysics (versión 6.0), COMSOL Inc., Burlington, MA, EE. UU.).

Los autores declaran que todos los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el documento y en la Información complementaria.

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Descargar referencias

Este trabajo fue financiado por Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (20H02596) y Scientific Research on Innovative Areas (21H00334) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS), Japón. Agradecemos a TATEISI Science and Technology Foundation, Japón, y TEPCO Memorial Foundation, Japón por su apoyo financiero. También agradecemos al personal del Instituto de Investigación de Ciencia y Tecnología Industrial de Osaka, Japón, por su apoyo técnico en la medición del tamaño de los poros.

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YT, SA, SF, NK y YY diseñaron la investigación; YT, SA, SF, HS, WN, YI, YA, XL e YY realizaron la investigación e interpretaron los resultados; YT preparó el manuscrito.

Correspondencia a Yo Tanaka.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Película complementaria 1.

Película complementaria 2.

Película complementaria 3.

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Reimpresiones y permisos

Tanaka, Y., Amaya, S., Funano, Si. et al. Un generador de energía eléctrica impulsado por presión que explota un filtro poroso de vidrio de escala micro a nano con flujo de iones que se origina en el agua. Informe científico 12, 16827 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21069-8

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Recibido: 06 julio 2022

Aceptado: 22 de septiembre de 2022

Publicado: 20 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21069-8

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