Recientemente, un grupo de investigadores de Samsung y la Universidad Sungkyunkwan en Corea han encontrado una manera de capturar la energía que se produce cuando una pantalla táctil es flexionada bajo el tacto de un usuario. Los investigadores han integrado unos electrodos flexibles y transparentes en un material de compactación de energía para hacer una película que podría suministrar energía suplementaria a los dispositivos electrónicos portátiles. La película puede ser impresa en grandes áreas con procesos de rollo a rollo, pero se encuentra por lo menos a cinco años de salir al mercado.
Estas pantallas aprovechan el efecto piezoeléctrico--la tendencia de algunos materiales a generar un potencial eléctrico cuando se someten a un esfuerzo mecánico. Los científicos de materiales están desarrollando unos dispositivos que utilizan componentes piezoelectrónicos de escala nano para recuperar energía mecánica, como las vibraciones causadas por nuestros pasos. Sin embargo, el campo es joven, y aun quedan retos importantes por resolver. La potencia de salida un solo nanocable piezoeléctrico es muy pequeña (alrededor de un picovatio), por lo que para recuperar una potencia suficiente se requiere la integración de muchos cables en una gran matriz; los científicos de materiales todavía están experimentando con la manera de diseñar estas pantallas para hacer dispositivos más grandes.
El dispositivo experimental de Samsung envuelve unas nanocañas piezoeléctricas entre unos electrodos de grafeno altamente conductores en la parte superior de unas hojas flexibles de plástico. El objetivo del grupo consiste en sustituir los electrodos y sensores rígidos y de alto consumo de energía que se usan actualmente en la parte frontal de las pantallas táctiles con un sistema de sensores flexibles al tacto que se alimente a sí mismo. En última instancia, esta configuración podría llegar a generar energía suficiente para ayudar a alimentar la pantalla y otras partes de las funciones del dispositivo. Enrollar una pantalla de este tipo, por ejemplo, podría ayudar a recargar su batería.
"La flexibilidad y capacidad de ser enrollados de los nanogeneradores nos ofrece nuevas áreas únicas de aplicación como fuentes inalámbricas de energía para unos futuros sistemas electrónicos plegables, elásticos, y vestibles", afirma Sang-Woo Kim, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales de la Universidad Sungkyunkwan. Kim dirigió la investigación junto con Jae-Young Choi, investigador del Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung.
El mismo grupo puso anteriormente nanogeneradores en electrodos de óxido de estaño e indio. Este material transparente y conductor se utiliza para fabricar los electrodos en las pantallas actuales, pero carece de flexibilidad.
Para fabricar los nuevos nanogeneradores, los investigadores comienzan por hacer crecer el grafeno--un material de carbono de un solo átomo de espesor, que es altamente conductor, transparente y elástico--en la parte superior de un sustrato de silicio por deposición química de vapor. Seguidamente, mediante un proceso de grabado desarrollado por el grupo hace un año, el grafeno se libera del silicio; y se elimina haciendo rodar una hoja de plástico sobre la superficie. El sustrato de plástico y grafeno se sumerge entonces en un baño químico que contiene un reactivo de zinc y se calienta, provocando el crecimiento de un denso pasto de nanocañas de óxido de zinc en su superficie. Por último, el dispositivo se completa con otra hoja de grafeno en plástico.
En un artículo publicado este mes en la revista Advanced Materials, los investigadores de Samsung describen varios prototipos de dispositivos pequeños fabricados de esta manera. Al presionar la pantalla se induce un cambio local en el potencial eléctrico a través de los nanocables que se puede utilizar para detectar la ubicación de, por ejemplo, un dedo, como en una pantalla táctil convencional. Este material puede generar unos 20 nanovatios por centímetro cuadrado. Kim afirma que el grupo ha realizado posteriormente dispositivos más potentes de unos 200 centímetros cuadrados. Éstos producen alrededor de un microvatio por centímetro cuadrado. Kim señala que esto es suficiente para que un sensor táctil se autoalimente e "indica que podemos hacer realidad los dispositivos flexibles autoalimentados sin la ayuda de fuentes de energía adicionales tales como baterías en un futuro próximo".
"Es bastante impresionante integrar todas estas cosas en un único dispositivo plegable de escala macro", afirma Michael McAlpine, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Princeton. Él señala que el potencial de los nanocables de óxido de zinc como material piezoeléctrico de detección y fuente de alimentación a escala nano ya fue anteriormente demostrado por el científico de materiales Zhong Lin Wang del Georgia Tech. No obstante, la integración de estos materiales en una gran superficie con un electrodo flexible y transparente abre la puerta a nuevas aplicaciones, afirma McAlpine.
Los métodos utilizados para fabricar los nanogeneradores son, según Kim, compatibles con la fabricación a gran escala. Su grupo está trabajando para aumentar la potencia de salida de las películas--el principal obstáculo es la calidad de los electrodos. Una posible solución es mejorar la conexión entre los nanocables y los electrodos mediante la eliminación de defectos en la estructura del grafeno. El grupo coreano también está experimentando con la adición de pequeñas cantidades de impurezas al material, un proceso conocido como dopaje, para mejorar su conductividad.