Nanosorgailuak tresna eramangarrien etorkizuneko energia-iturria

Iturria: http://hdl.handle.net/1853/39262


Gaur egun tresna eramangarriek bateria birkargagarriak behar dituzte, baina laster, mikro- eta nano-sistema asko erabiliko dira osasuna, azpiegiturak eta ingurumena monitorizatzeko, gauzen Interneten eta defentsarako teknologian eta arlo horietan ohiko bateriak ez dira egokiak izango hainbat arrazoirengatik, hala nola:

1. Miniaturizazioa areagotu ahala, baterien tamaina kritikoa izango delako.
2. Sentsore-sareetan erabiliko diren mikro- eta nano-sistemen kopuruak eta dentsitateak oso handiak izango direlako, eta horiei bateriak aldatzen aritzea oso gogaikarria eta are ezinezkoa litzatekeelako.
3. Mikro- eta nano-sistemek beharko duten potentzia txiki samarra izango delako, μW edo mW-etakoa.

Behar horiei erantzuteko, bateriarik gabeko irtenbide bat ingurumenetik energia biltzea da. Hori lortzeko, energia mekanikoa energia elektrikoa bihurtzen duten nanohari piezoelektrikoetan oinarrituriko nanosorgailuak erabil litezke. 

Nanosorgailu piezoelektrikoak ingurumenetik jasotzen duten energia zinetikoa, nanoegitura duen material piezoelektrikoa baliatuz, energia elektrikoa bihurtzen duten bilgailuak dira.

Energia mekanikoa gure ingurunean

Gure ingurunean jatorri askotako energia mekanikoa izaten da, hala nola haizearena, gorputzaren mugimenduena, muskuluen uzkurdurarena, soinuen eta ultrasoinuena, bibrazio mekanikoena, etab. 

Inguruneko energia mekanikoaren ezaugarriak

1. Oso energia-kopuru txiki-txikiak izaten dira, ohiko sorgailu bati eragiteko ahulegiak.
2. Seinaleak maiztasun-tarte zabal samarrekoak izan daitezke eta energia gehiena behe-maiztasunekoa izaten da. Hz-en eta kHz-en arteko maiztasunetan funtzionatzen duen teknika bat behar da. 
3. Ingurunearen egoera era askotakoa izan daiteke.

Nanosorgailuek nola funtzionatzen duten

 Nanosorgailuak txip elektronikoak dira, zirkuitu integratu bat gainazal malgu batean grabatua dutenak. Nano- aurrizkiak adierazten duenez, 10^-9  m-ren eskalako teknologia erabiltzen da gailu hauek egiteko. 

Nanosorgailu baten barneko osagai nagusiak material zeramiko piezoelektrikozko nanohariak dira. Material piezoelektrikoek korronte elektriko bat sortzen dute makurtzen direnean edo presioa ezartzen zaienean. 

Nanohariak oso hari meheak izaten dira; giza ileek izaten duten lodieraren erdia izaten dute, 30-60 nanometro eta 1μm inguruko luzera. Haiek egiteko erabiltzen den materialaren arabera, eroaleak, erdieroaleak edo isolatzaileak izan daitezke. 

Horren eskala txikikoak izateagatik, ezaugarri bereziak dituzte. Izan ere, eskala txiki horietan Fisika kuantikoaren legeak agintzen dute. Esate baterako, eskala handiagoetan ez bezala, elektroi batek zeharka dezake isolatzaile bat, baina materian sartu gabe, eta eroale batean zehar doazen elektroiek, eroale arruntetan ez bezala, ez dute talkarik egiten atomoekin eta, beraz, ez dute energiarik galtzen, ez berorik sortzen. Metalezko nanozatikiek tamaina arrunteko metal bereko piezek baino urtze-puntu apalagoa dute, eta tamaina arruntean eroaleak direnak erdieroaleak dira nano tamainan. 

Efektu piezoelektrikoa aspaldidanik erabiltzen da energia mekanikoa biltzeko, baina oraintsu arte ez da nano eskalan erabili. Adibidez, hegal-habe baten, hau da, mutur bat landatua eta bestea bermatu gabea dituen habe baten konfigurazioa erabili izan da bibrazio-energia biltzeko.

Hegal-habea landaturiko muturrean eszitatzen da erresonantzian, bibrazio-iturri batez. Horrek korronte alternoa ekoizten du. Haatik, horrelako gailuez ez dira sistema praktikoak egin izan, zenbait arazo dituztelako: zeramikazko geruzaren neke mekanikoa, tamaina handiegia eta energia-dentsitate txikiegia. Arazo horiek saihesteko, nanoteknologiara jo da. 

Nanosorgailuek honako abantaila hauek dituzte:

1. Efektu piezoelektriko handiagoa
2. Propietate mekaniko hobeak
3. Indar ahulekiko sentikortasun handiagoa

Nanohari piezoelektriko bat makurrarazten denean, potentzial bat sortzen da, kristal-sarea distortsionatzen delako. 

Material piezoelektriko interesgarrienetako bat zink oxidoa (ZnO) da. Material hori makurtzen denean, potentzial elektriko bat agertzen da bi muturren artean.

 

Berrikitan Koreako ikertzaile batzuek esan dute gai direla 250 V-eko tentsioa sortzeko plastikozko substratu mehe baten deformazio mekaniko txiki batez, eta horrekin 100 LED argi pitz daitezkeela. Diotenez, garapen horrek lortzen duen bihurketak aurrekoek baino 40 bider errendimendu handiagoa du.