Op zetmeel gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator voor detectie van menselijke transpiratie

Resultaten en discussie

Het werkingsmechanisme van de S-TENG is schematisch weergegeven in figuur 2c. Het voorgestelde apparaat is gebaseerd op het koppelingseffect tussen de menselijke hand en zetmeelpapier. Wanneer er fysiek contact is tussen de hand en het papier, krijgt het papier negatieve ladingen op het oppervlak, terwijl de hand positieve ladingen krijgt. Bovendien, als de hand eenmaal is bevrijd, neemt het overlappende gebied tussen de hand en het geladen papier af en worden de ladingen op het papier niet langer volledig in evenwicht gehouden door die op de hand. De onstabiele negatieve ladingen op het zetmeeloppervlak dwingen een elektronenstroom naar de grond vanaf de achterelektrode van het papier. Desalniettemin, wanneer de hand het papier weer nadert, zullen de geïnduceerde positieve ladingen op de achterelektrode onstabiel worden en de elektronenstroom naar de grond dwingen.

een Er begint zich een waterfilm te vormen rond de elektrodezijde van het zetmeelpapier, b er wordt een waternetwerk gevormd, c het werkingsmechanisme van de S-TENG

De resultaten geven aan dat de werktoestand van de S-TENG kan worden onderverdeeld in twee werkpatronen, gebaseerd op de hoeveelheid waterdamp die door het zetmeelpapier wordt geabsorbeerd. Het concept van ladingsoverdracht wordt geïllustreerd aan de hand van de toestand die wordt getoond in figuur 2cII als voorbeeld. Zoals weergegeven in figuur 2a, wordt in werkpatroon 1 aanvankelijk een waterfilm gevormd rond de elektrodezijde van het papier. Desalniettemin zitten de ladingen nog gedeeltelijk vast in de onregelmatige waterfilm en vormen zo een potentiële barrière die de beweging van dragers belemmert. In werkpatroon 2 wordt echter een waternetwerk gecreëerd (Fig. 2b) en wordt de elektronische weerstand van de elektrodezijde die het zetmeelpapier omvat aanzienlijk verminderd.

Een foto van de gefabriceerde S-TENG wordt getoond in figuur 3a. Een aanpasbare weerstand werd gebruikt als externe belasting en voor verschillende sproeitijden van de waterdamp werd een oscilloscoop gebruikt om de elektronische signalen van de weerstand te meten. Afbeelding 3b toont de elektronische prestaties van de S-TENG na de eerste bespuiting. Zoals weergegeven in de afbeelding, levert de toename van de belastingsweerstand (van 100 naar 100 MΩ) een constante toename van de verzamelde uitgangsspanning op. Het maximale uitgangsvermogen wordt echter bereikt bij een belastingsweerstand van 15 MΩ, en daarom is de interne weerstand van de gefabriceerde TENG ~ -15 MΩ. De uitgangsspanning (d.w.z. 11,2 V) bij een belastingsweerstand van 100 MΩ wordt benaderd als de nullastspanning, aangezien de belastingsweerstand aanzienlijk groter is dan de geschatte waarde van de interne weerstand. Vervolgens werd de bedrijfsstabiliteit van het gefabriceerde papier TENG bepaald. Zoals afb. 4 laat zien, neemt de uitgangsspanning (belastingsweerstand:100 MΩ) van het gefabriceerde apparaat slechts licht af tijdens een verticale krachttest.

een Foto en b elektronische uitgang van de gefabriceerde S-TENG

Verticale krachttest van gefabriceerde S-TENG. De uitgangsspanning neemt slechts licht af bij een belastingsweerstand van 100 MΩ

Het zetmeelpapier vertoonde velweerstanden van 19 MΩ, 6,1 MΩ, 1,5 MΩ, 140 KΩ en 130 KΩ voorafgaand aan het sproeien met water en na respectievelijk het 1e, 3e, 5e en 7e sproeien. De overeenkomstige elektronische activiteiten van de S-TENG worden vergeleken, zoals weergegeven in Fig. 5. De uitgangsspanning (onderworpen aan een conforme belasting van 100 MΩ) neemt toe met langere spuittijden 0-3 (werkpatroon 1) en raakt verzadigd bij het spuiten keer boven de 3e spuitbeurt (werkpatroon 2). Door de correlatie tussen elektronische spanning en de hoeveelheid waterdamp is de detectie van vloeistoffen op waterbasis, bijvoorbeeld menselijke transpiratie, gegarandeerd. Deze correlatie kan worden gekarakteriseerd via veranderingen in de interne weerstand van de S-TENG. De vermindering van de interne weerstand van de S-TENG wordt bevorderd door het gebruik van waterdamp, aangezien de introductie van water de elektronische weerstand van het zetmeelpapier vermindert. Deze afname is het gevolg van de vorming van watergeleidende banen op het oppervlak en in het papier. Bovendien wordt deze impact vooral duidelijk wanneer zich een waterfilm begint te vormen rond de elektrodezijde van het papier (werkpatroon 1). Bovendien is de elektronische output die optreedt vóór het sproeien van water voornamelijk afkomstig van het gebonden water van graancellen (resulterend in een zwakke elektronische geleiding voor dragers).

Afhankelijkheid van de uitgangsspanning van het aantal watersproeistappen

De voorgestelde S-TENG is gebruikt voor het meten van menselijke transpiratie. Zoals te zien is in figuur 6a, wordt de S-TENG verbonden met de menselijke elleboog na verschillende lichaamsbewegingen. Daarna wordt de blootgestelde laag van de menselijke huid gereinigd met een droge handdoek en een elleboogbeweging volgt (Fig. 6; de verzamelde elektronische output wordt getoond in Fig. 6c). De waargenomen trend is vergelijkbaar met die in figuur 5, d.w.z. vanuit het oogpunt van de correlatie tussen elektronische output (conforme belasting:100 MΩ) en de duur van menselijke beweging. De resultaten geven aan dat de voorgestelde S-TENG kan worden gebruikt voor het detecteren van menselijke transpiratie en het bewaken van de menselijke bewegingstijd.

De een , b werkpatroon voor het oogsten van menselijke elleboogbewegingsenergie, c elektronische output (afhankelijk van een overeenkomstige belasting van 100 MΩ) versus menselijke bewegingstijd

De wegwerpeigenschappen van het zetmeelpapier werden bepaald door de oplosactiviteit te evalueren, zoals weergegeven in figuur 7. Tijdens deze bepaling werd het papier onder zachte trilling met de hand ondergedompeld in kraanwater, zoals weergegeven in figuur 7a, gedurende verschillende tijdsduren. (zie Afb. 7b–e). Het zetmeelpapier brak binnen 4 min volledig af, wat aangeeft dat het voorgestelde S-TENG volledig afbreekbaar is.

een Afbreekbaarheidstests uitgevoerd door zetmeelpapier in water te dompelen, b onmiddellijk, en na b 1, c 2, d 3, en e 4 min