Un grupo de investigadores de la Universidad de Princeton ha creado un material flexible capaz de recolectar cantidades récord de energía al ser sometido al movimiento. Los investigadores afirman que el material podría incorporarse en las suelas de los zapatos para proporcionar energía a los aparatos electrónicos portátiles, o incluso colocarse en los pulmones de un paciente del corazón para recargar el marcapasos con la respiración.Esta goma recolectora de energía consiste en una serie de cintas de un material piezoeléctrico llamado PZT colocadas entre piezas de silicio. Al recibir un tensionamiento producido por el movimiento, el material piezoeléctrico genera un voltaje que puede usarse para generar una corriente eléctrica; también es posible convertir la corriente de nuevo en movimiento mecánico. El material de goma puede aprovechar un 80 por ciento de la energía que se aplica al ser flexionado, cuatro veces más que los materiales piezoeléctricos flexibles existentes.
Este tipo de flexibilidad podría ser vital para el lanzamiento de la tecnología de recolecta de energía. Por ejemplo, el ejército de EEUU puso a prueba unos zapatos de suela dura que actuaban como fuente de energía, pero los soldados se quejaron de dolor en el pie. Además, los recolectores de energía flexibles previos —basados en polímeros piezoeléctricos, nanocables y otros tipos de cristal— generaban muy poca corriente eléctrica.
El PZT es el material piezoeléctrico más eficiente que se conoce, aunque su estructura cristalina hace que deba aplicarse a altas temperaturas, lo que normalmente provoca que se derritan los sustratos flexibles cuando se quiere colocarlo sobre ellos. Los investigadores de Princeton, dirigidos por el profesor de ingeniería mecánica Michael McAlpine, superaron este problema mediante la fabricación del PZT a altas temperaturas para después transferir las finas cintas del material al silicio. En primer lugar, los investigadores tratan el PZT con un baño químico de decapado que elimina una fina cinta de la superficie del cristal. Después utilizan un sello de polímero para tomar la cinta y colocarla sobre una película de silicio antes de cubrirlo todo con una segunda pieza de silicio y acabar sellándolo. “Todos los procesos que utilizamos para producir las cintas flexibles de PZT son extremadamente simples y sencillos”, afirma McAlpine. Resulta crucial el hecho de que los investigadores descubriesen que el proceso no compromete la eficiencia de conversión de energía del PZT.
Los tests de prueba de diseño descritos esta semana en la revista Nano Letters muestran que las cintas de PZT encapsuladas en goma mantienen su alta eficiencia de conversión de energía. McAlpine señala que este proceso de impresión simple podría llevarse a una mayor escala para crear láminas más grandes. Ya ha solicitado la patente del proceso. McAlpine se está enfocando particularmente en las aplicaciones biomédicas del material y afirma que podría reducir el número de cirugías a las que tienen que someterse los pacientes con implantes. Por ejemplo, los doctores podrían colocar una lámina generadora de energía junto a los pulmones durante la cirugía inicial; el constante movimiento de los órganos podría ayudar a recargar la batería, señala McAlpine.
Jim Grotberg, profesor de cirugía e ingeniería biomédica en la Universidad de Michigan, afirma que el análisis inalámbrico y la distribución de fármacos para los pacientes con problemas médicos crónicos son otras de las posibles aplicaciones. “Si tienes un sensor que analice las pulsaciones, la actividad cerebral, o la presión sanguínea, o un sistema implantable de inyección de insulina, necesitas una batería para dicho sensor”, afirma.
El PZT por sí mismo no es biocompatible —la “p” viene del símbolo químico del plomo, uno de sus componentes junto al zirconio y el titanio—. Sin embargo las cintas de cristal están completamente encapsuladas en silicio, un material que está aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los EEUU para su uso en implantes médicos. Incluso las pruebas en animales están aún lejanas en el horizonte. No obstante, en la actualidad los investigadores de Princeton están fabricando unos dispositivos prototipo a partir de las láminas para poner a prueba cuánta electricidad pueden generar cuando se los coloca en los zapatos.
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Este tipo de flexibilidad podría ser vital para el lanzamiento de la tecnología de recolecta de energía. Por ejemplo, el ejército de EEUU puso a prueba unos zapatos de suela dura que actuaban como fuente de energía, pero los soldados se quejaron de dolor en el pie. Además, los recolectores de energía flexibles previos —basados en polímeros piezoeléctricos, nanocables y otros tipos de cristal— generaban muy poca corriente eléctrica.
El PZT es el material piezoeléctrico más eficiente que se conoce, aunque su estructura cristalina hace que deba aplicarse a altas temperaturas, lo que normalmente provoca que se derritan los sustratos flexibles cuando se quiere colocarlo sobre ellos. Los investigadores de Princeton, dirigidos por el profesor de ingeniería mecánica Michael McAlpine, superaron este problema mediante la fabricación del PZT a altas temperaturas para después transferir las finas cintas del material al silicio. En primer lugar, los investigadores tratan el PZT con un baño químico de decapado que elimina una fina cinta de la superficie del cristal. Después utilizan un sello de polímero para tomar la cinta y colocarla sobre una película de silicio antes de cubrirlo todo con una segunda pieza de silicio y acabar sellándolo. “Todos los procesos que utilizamos para producir las cintas flexibles de PZT son extremadamente simples y sencillos”, afirma McAlpine. Resulta crucial el hecho de que los investigadores descubriesen que el proceso no compromete la eficiencia de conversión de energía del PZT.
Los tests de prueba de diseño descritos esta semana en la revista Nano Letters muestran que las cintas de PZT encapsuladas en goma mantienen su alta eficiencia de conversión de energía. McAlpine señala que este proceso de impresión simple podría llevarse a una mayor escala para crear láminas más grandes. Ya ha solicitado la patente del proceso. McAlpine se está enfocando particularmente en las aplicaciones biomédicas del material y afirma que podría reducir el número de cirugías a las que tienen que someterse los pacientes con implantes. Por ejemplo, los doctores podrían colocar una lámina generadora de energía junto a los pulmones durante la cirugía inicial; el constante movimiento de los órganos podría ayudar a recargar la batería, señala McAlpine.
Jim Grotberg, profesor de cirugía e ingeniería biomédica en la Universidad de Michigan, afirma que el análisis inalámbrico y la distribución de fármacos para los pacientes con problemas médicos crónicos son otras de las posibles aplicaciones. “Si tienes un sensor que analice las pulsaciones, la actividad cerebral, o la presión sanguínea, o un sistema implantable de inyección de insulina, necesitas una batería para dicho sensor”, afirma.
El PZT por sí mismo no es biocompatible —la “p” viene del símbolo químico del plomo, uno de sus componentes junto al zirconio y el titanio—. Sin embargo las cintas de cristal están completamente encapsuladas en silicio, un material que está aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los EEUU para su uso en implantes médicos. Incluso las pruebas en animales están aún lejanas en el horizonte. No obstante, en la actualidad los investigadores de Princeton están fabricando unos dispositivos prototipo a partir de las láminas para poner a prueba cuánta electricidad pueden generar cuando se los coloca en los zapatos.
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