Cada latido de corazón y cada movimiento de intranquilidad que hace una persona mientras se encuentra sentada frente a un ordenador, contiene una pequeña cantidad de energía que podría ser utilizarse potencialmente. Sin embargo, guardar este bio-movimiento se considera un verdadero desafío puesto a que la mayoría son muy irregulares. Ahora, por primera vez, los investigadores han demostrado que un nano-generador puede ser impulsado por bio-movimientos irregulares y de baja energía - incluído el movimiento de un dedo humano golpeando una mesa y los movimientos erráticos de los hamster (también cuando se rascan).
El nano-generador de los investigadores aprovecha el efecto “piezoeléctrico” – la manera en que algunos materiales cristalinos producen un potencial eléctrico cuando se los coloca bajo estrés mecánico. El equipo, liderado por Zhong Lin Wang, profesor de la ciencia de los materiales e ingeniería en Georgia Tech, ha estado fabricando generadores a partir de nano-alambres piezoeléctricos desde 2005. El último nano-generador consiste en una serie de nano-alambres de óxido de cinc montados sobre una superficie plástica flexible. Los alambres están conectados entre sí y a un circuito eléctrico exte o a través de electrodos de metal. Cuando el plástico se dobla, los alambres también se doblan y este movimiento crea un potencial eléctrico en los alambres que impulsa corriente a través del circuito exte o.
En el estudio, publicado online esta semana en la revista especializada Nano Letters, el grupo de Wang describe cómo usar el nano-generador para aprovechar los distintos tipos de energía bio-mecánica. Los investigadores colocaron un nano-generador al dedo índice de una persona y registraron la salida de energía cuando el dedo golpeaba la superficie de una mesa. También aprovecharon la energía producida por un hámster equipado con una chaqueta que estaba conectada a un dispositivo durante el tiempo en el que el animal corrá sobre la rueda de ejercicio y se rascaba.
Otros investigadores han desarrollado vigas voladizas piezoeléctricas que también pueden aprovechar la energía bio-mecánica, pero estos sistemas dependen de la resonancia mecánica regular a una frecuencia específica. La mayoría del bio-movimiento –estirar músculos, mover los brazos, caminar o el latido del corazón – produce energía mecánica que es más irregular. Wang sostiene que su grupo ha construído el primer generador que verdaderamente puede aprovechar los movimientos pequeños e irregulares.
La energía generada por el dispositivo es pequeña (alrededor de un nano-vatio), pero Wang insiste en que éste es un paso importante a lo largo del camino hacia el desarrollo de fuentes útiles de energía para dispositivos a nano-escala. Los sensores a nano-escala extraordinariamente sensibles requieren muy poca energía (alrededor de un microvatio) para hacer cosas como detectar patógenos o proteínas de cáncer. Pero parte de lo que está retrasando el desarrollo es el tamaño y la vida útil de las provisiones existentes de energía. Los nano-sensores implantables necesitan una fuente de energía que sea de nano-tamaño como de larga vida, eliminando la necesidad de que necesite ser removido y reemplazado quirúrgicamente.
El grupo de Wang no ha fabricado una versión implantable de un nano-generador todavía, pero Wang afirma que, en teoría, debería ser posible. Los nano-generadores podrían, por ejemplo, revestirse en polímeros biocompatibles e implatados en tejido muscular.
Los investigadores están trabajando en incrementar la energía del dispositivo al agregar más alambres piezoeléctricos coolocados en serie. Además de energizar los dispositivos a nano-escala, los generadores piezoeléctricos podrían, tal vez, acoplarse a dispositivos más grandes. A lo largo de los próximos cinco a diez años, Wang espera poder impulsar la salida de energía de manera importante para que pueda tejerse dentro de la tela de una chaqueta de tamaño humano y aprovechar suficiente energía como para cargar las baterías de dispositivos electrónicos portátiles.