Nanogenerator Triboelektrik Kertas-Penggula Ramah Lingkungan untuk Pengeringan Keringat Manusia Secara Real-Time
Abstrak
Kami telah mengembangkan nanogenerator triboelektrik (TENG) dapat dibuang dan terurai biologis yang terbuat dari kertas penggula, yang memungkinkan pengeringan keringat manusia secara langsung. Dengan memanfaatkan komponen komersial yang terjangkau, S-TENG kertas penggula diproduksi dalam beberapa menit menggunakan proses rangkaian sederhana. Output listriknya sangat responsif terhadap kelembaban yang terserap, yang memungkinkan deteksi keringat secara real-time. Substrat penggula larut sepenuhnya dalam air dalam waktu kurang dari empat menit, yang menggarisbawahi kredibilitas ramah lingkungan perangkat dan kesesuaianannya untuk elektronika wearable generasi mendatang.
Pendahuluan
Elektronika lentur yang dapat meregang, kompak, dan terurai biologis dengan cepat menjadi tulang punggung dari biosensor dapat dibuang, kemasan cerdas, dan perangkat wearable. Kompatibilitas biologis dan ramah lingkungannya telah menarik perhatian signifikan, mendorong penelitian tentang substrat yang dapat diurai dengan aman setelah penggunaan. Sumber daya konvensional untuk wearable bergantung pada baterai yang tidak terurai biologis, yang menciptakan hambatan untuk sistem yang benar-benar berkelanjutan. Nanogenerator triboelektrik (TENG) mengubah gerakan mekanik sekitar menjadi energi listrik melalui elektrifikasi kontak dan induksi elektrostatik, menawarkan alternatif yang bersumber daya sendiri. Meskipun banyak TENG menggunakan polimer yang tahan terhadap dekomposisi, penggula—a karbohidrat yang murah, melimpah, dan terbarukan—menyediakan substrat yang menjanjikan dan sepenuhnya dapat diurai. Dalam studi ini, kami menyajikan S-TENG sederhana yang dapat dibuang yang terbuat dari kertas penggula yang dapat memanen energi mekanik dan sekaligus memantau keringat manusia, menunjukkan potensinya untuk elektronika wearable ramah lingkungan.
Metode
Rangkaian S-TENG
Kertas penggula (ketebalan ~1 mm) diperoleh dari GILRO Corp. (Israel). Sisi satu lembar ditempelkan pada kawat logam dan kemudian diekspos pada uap air, membentuk lapisan triboelektrik aktif. Gambar 1 mengilustrasikan urutan fabrikasi yang cepat dan hemat biaya.
Skematis proses rangkaian S-TENG
Pengukuran dan Demonstrasi Manusia
Karakteristik listrik direkam pada osiloskop digital DSOX6004A. S-TENG 4,4 × 4,4 cm² diposisikan pada siku manusia, dengan elektroda logam menghadap kulit. Sinyal output ditangkap selama berbagai periode gerakan siku.
Hasil dan Pembahasan
S-TENG bekerja dengan mencoplok tangan manusia dengan kertas penggula. Saat kontak terjadi, kertas mendapatkan muatan permukaan negatif sementara tangan menjadi bermuatan positif. Saat pemisahan, ketidakseimbangan mendorong elektron menuju elektroda yang di-grind, menghasilkan tegangan yang dapat diukur. Gambar 2 mengilustrasikan mekanisme ini.
a Film air mulai terbentuk di sisi elektroda kertas penggula, b jaringan air terbentuk, c mekanisme kerja S-TENG
Dua regime operasi muncul berdasarkan tingkat kelembaban. Dalam regime pertama, film air tipis secara sebagian menahan muatan, menciptakan hambatan potensial yang membatasi gerakan pembawa beban. Dalam regime kedua, jaringan air kontinu mengurangi resistansi internal secara dramatis, meningkatkan tegangan output. Tegangan output naik seiring peningkatan uap air hingga mencapai platou setelah jaringan sepenuhnya terbentuk.
Foto S-TENG yang dirangaka ditunjukkan pada Gambar 3a. Menggunakan resistor dapat disesuaikan sebagai beban, kami merekam respons tegangan untuk berbagai interval penyemprotan air. Gambar 3b menunjukkan bahwa seiring peningkatan resistansi beban dari 100 kΩ hingga 100 MΩ, tegangan open-circuit naik secara stabil, mencapai puncak 11,2 V. Daya maksimum dicapai pada beban sekitar 15 MΩ, yang menunjukkan resistansi internal yang setara. Uji stabilitas (Gambar 4) mengungkapkan hanya penurunan tegangan yang kecil di bawah beban vertikal berulang.
a Foto dan b output elektronik S-TENG yang dirangaka
Uji gaya vertikal S-TENG yang dirangaka. Tegangan output hanya menurun sedikit di bawah beban resistansi 100 MΩ.
Resistansi lembar kertas penggula menurun dari 19 MΩ (kering) menjadi 130 kΩ setelah tujuh kali penyemprotan air, yang mencerminkan pembentukan jalur konduktif yang bertahap. Gambar 5 menunjukkan evolusi tegangan yang sesuai: output naik selama tiga kali penyemprotan pertama (regime 1) dan mencapai satura setelahnya (regime 2). Korelasi yang jelas antara konten kelembaban dan respons listrik ini mengonfirmasi kesesuaian perangkat untuk deteksi keringat.
Ketergantungan tegangan output pada jumlah langkah penyemprotan air
Untuk memvalidasi pengeringan keringat, S-TENG dipasang pada siku setelah berbagai durasi gerakan. Kulit dibersihkan dengan handuk kering sebelum setiap uji untuk menghilangkan sisa keringat. Tegangan yang direkam di bawah beban 100 MΩ mencerminkan tren yang diamati pada Gambar 5, menunjukkan bahwa perangkat dapat mengukur perspirasi dan memantau waktu gerakan secara real-time.
a, b pola kerja untuk memanen energi gerakan siku manusia, c output elektronik (beban 100 MΩ) versus waktu gerakan manusia
Keberlanjutan dievaluasi dengan merendam kertas penggula dalam air ledeng di bawah pengadukan halus. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, kertas hancur sepenuhnya dalam waktu empat menit, mengonfirmasi sifat terurai biologisnya yang sepenuhnya.
a Uji keberlanjutan dilakukan dengan merendam kertas penggula dalam air, b segera, dan setelah c 2, d 3, dan e 4 menit
Kesimpulan
Kami telah memperkenalkan metode cepat dan biaya rendah untuk memproduksi TENG dapat dibuang dan terurai biologis dari kertas penggula. Perangkat ini tidak hanya memanen energi mekanik tetapi juga memberikan pembacaan keringat manusia yang andal secara real-time, menjadikannya platform yang menarik untuk elektronika wearable berkelanjutan. Penyelesaiannya sepenuhnya dalam air dalam waktu empat menit menekankan profil ramah lingkungan lebih lanjut.
