Des chercheurs envisagent des biocapteurs auto-alimentés dérivés du bois pour les appareils sans fil

Des chercheurs envisagent des biocapteurs auto-alimentés dérivés du bois pour les appareils sans fil

Résumé graphique. Le crédit: Nano énergie (2022). DOI : 10.1016 / j.nanoen.2022.107337

Selon des chercheurs de l’Université de Toronto et de l’Université de Waterloo, les matériaux dérivés du bois peuvent être utilisés pour récolter l’énergie électrique des mouvements quotidiens comme la marche.

Dans une nouvelle étude publiée récemment dans Nano énergiel’équipe a démontré l’utilisation de nanofibrilles lignocellulosiques, dérivées d’écorce d’arbre, dans un prototype d’appareil auto-alimenté capable d’envoyer un signal sans fil à un smartphone via Bluetooth.

De tels dispositifs peuvent être utilisés pour suivre des données biométriques telles que la fréquence cardiaque, les niveaux d’oxygène ou la conductivité cutanée. L’innovation pourrait améliorer les performances de ces appareils tout en réduisant leur impact environnemental.

“Les biocapteurs sont courants dans l’électronique portable, mais aujourd’hui, ils sont alimentés par des batteries”, explique Ning Yan, professeur au département de génie chimique et de chimie appliquée de la Faculté des sciences appliquées et de l’ingénierie, et co-auteur de l’étude.

“Cela les rend encombrants, peu pratiques et coûteux. Les capteurs sans piles pourraient être plus minces, plus petits et moins chers. Vous n’auriez plus jamais à vous soucier d’oublier de charger la batterie. Vous pourriez simplement la coller sur votre peau, et elle serait alimentée par vos mouvements naturels », a-t-elle ajouté.

Le principe de l’innovation est l’effet trioboélectrique, une forme d’électricité statique. Étant donné que certains matériaux attirent les électrons plus que d’autres, le fait de mettre en contact de manière répétée deux matériaux différents puis de les séparer peut provoquer l’accumulation d’une charge électrique entre eux.







Des chercheurs du monde entier expérimentent des dispositifs connus sous le nom de nanogénérateurs triboélectriques, qui utilisent cet effet pour générer de petites quantités d’électricité.

La plupart des conceptions actuelles intègrent des matériaux synthétiques tels que le polytétrafluoroéthylène (PTFE), également connu sous le nom de marque Teflon. Cependant, ce matériau persiste pendant de longues périodes dans l’environnement et des inquiétudes ont été soulevées quant à ses effets potentiels sur la santé.

Yan et son équipe ont voulu voir s’il était possible de créer un substitut naturel et biodégradable.

“Il y a eu des expériences avec l’utilisation de matériaux naturels tels que la cellulose dans ces types de générateurs triboélectriques”, explique Yan. “Mais la plupart des équipes n’ont utilisé de la cellulose que dans la couche qui perd des électrons, que nous appelons la couche tribopositive. Nous voulions développer un substitut naturel de l’autre côté, la couche tribonégative.”

Le nouveau matériau est composé de nanofibrilles, de minuscules brins de matière végétale des centaines de milliers de fois plus fins qu’un cheveu humain. Là où d’autres équipes ont utilisé des nanofibrilles de cellulose, le principal polymère végétal du papier et du carton, Yan et son équipe ont également incorporé un autre polymère naturel appelé lignine.

“La lignine est une molécule complexe et ramifiée”, explique Nicolas Tanguy, co-auteur principal du nouvel article qui a mené la recherche en tant que boursier postdoctoral dans le laboratoire de Yan (il est maintenant à l’Universidad Nacional Autónoma de México).

“Dans de nombreux produits de pâtes et papiers, la lignine est une impureté à éliminer. Mais dans ce cas, nous avons constaté que laisser environ 30 % de lignine dans les nanofibrilles améliorait en fait leurs performances en tant que matériaux tribonégatifs.”

Des chercheurs envisagent des biocapteurs auto-alimentés dérivés du bois pour les appareils sans fil

Des chercheurs de l’U de T et de l’Université de Waterloo ont utilisé des matériaux dérivés du bois pour construire un petit appareil qui peut être utilisé pour récolter l’énergie électrique des mouvements quotidiens. Crédit : Md Masud Rana/Université de Waterloo

L’équipe d’ingénierie de l’Université de Toronto a envoyé les nanofibrilles lignocellulosiques au professeur Dayan Ban et à son équipe du département de génie électrique et informatique de l’Université de Waterloo. Ils ont incorporé le matériau dans un prototype de nanogénérateur triboélectrique.

“Nos principaux défis consistaient à trouver un moyen très efficace de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique, puis à stocker suffisamment de cette énergie pour alimenter le système”, déclare Ban, qui a terminé son doctorat à l’U de T. “C’était gratifiant d’y parvenir tout en limitant également l’empreinte environnementale du système multifonction.”

Cet appareil était capable de générer 160 % de tension en plus et 140 % de courant en plus par rapport à un appareil similaire qui utilisait du PTFE comme couche tribonegative.

En tapotant simplement l’appareil sur une plaque acrylique pendant les tests, le prototype a pu générer suffisamment de puissance pour envoyer un ping radiofréquence toutes les trois minutes qui a été capté par un smartphone à proximité.

En théorie, un tel dispositif pourrait être inséré dans la semelle d’une chaussure, l’utilisateur produisant de l’électricité en marchant ou en courant. L’appareil pourrait être utilisé pour alimenter un biocapteur ou tout autre appareil qui envoie des données sans fil.

“Non seulement ce matériau est plus performant que le PTFE, mais il est également biodégradable”, déclare Yan. “Cela le rendrait très utile dans les biocapteurs à usage unique. En éliminant à la fois la batterie et le PTFE, nous réduisons considérablement l’impact environnemental.”


Un nouveau “tissu” convertit le mouvement en électricité


Plus d’information:
Nicolas R. Tanguy et al, Nanofibrilles lignocellulosiques naturelles comme matériaux tribonégatifs pour l’électronique sans fil auto-alimentée, Nano énergie (2022). DOI : 10.1016 / j.nanoen.2022.107337

Fourni par l’Université de Toronto

Citation: Des chercheurs envisagent des biocapteurs auto-alimentés dérivés du bois pour les appareils sans fil (9 juin 2022) récupéré le 9 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-envision-wood-derived-self-powered-biosensors -sans fil.html

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