Drähte erzeugen Strom für Nanomaschinen

US-Forscher haben einen winzigen Generator entwickelt, der Wechselstrom durch das zyklische Dehnen und Entspannen eines pieozoelektrischen Drahts erzeugt.

„Die 'flexible Ladungspumpe' bietet eine weitere Art, mechanische in elektrische Energie umzuwandeln“, sagt Zhong Lin Wang, Direktor des Center for Nanostructure Characterization am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech). Die Entwicklung könnte Nanomaschinen ermöglichen, die ohne externe Stromversorgung auskommen. Den Forschern zufolge ist die Neuentwicklung auch zuverlässiger als bisherige Generatorsysteme auf Basis von Nanodrähten.

Der neuartige Generator nutzt einen Zinkoxid-Draht, dessen Dehnen und Entspannen piezoelektrische Potenziale auf- und abbaut. Dadurch entsteht ein wachsender Elektronenfluss und somit eine oszillierende Ausgangsspannung von bis zu rund 50 Millivolt. Dabei werden bis zu 6,8 Prozent der aufgewendeten mechanischen Energie in Strom umgewandelt, berichtet Wangs Team in einem online vorab veröffentlichten Forschungsartikel für das Fachjournal Nature Nanomaterials. Zur Erprobung des Konzepts haben die Forscher einen Generator mit 200 bis 300 Mikrometer langen Drähten genutzt. „Größere Fasern machen die Herstellung von Geräten einfacher“, begründet Wang. Das Funktionsprinzip der flexiblen Ladungspumpe sei aber auch im Nanobereich anwendbar.

„Diese Entwicklung ergänzt unsere Familie von kleinskaligen Generatoren“, so Wang. Sie sind unter anderem dazu gedacht, Geräte in der medizinischen Sensorik und der Umweltanalyse mit Strom zu versorgen. In Zukunft könnten die winzigen Stromerzeuger die Entwicklung einer neuen Generation drahtloser Sensorsysteme ermöglichen, so der Wissenschaftler. Diese Geräte wären in der Lage, ohne jegliche externe Stromversorgung Informationen zu sammeln, zu speichern und zu übertragen. „Sich selbst mit Strom versorgende Nanotechnologie könnte den Grundstein für eine neue Industrie bilden“, meint Wang. „Das ist eigentlich die einzige Möglichkeit, unabhängige Systeme herzustellen.“

Bei bisherigen Nanodraht-Generatoren habe das Team auf Strukturen mit relativ frei beweglichen Komponenten gesetzt, so die Georgia-Tech-Wissenschaftler. Das habe nicht nur die Herstellung schwierig gemacht, sondern auch zu mechanischem Verschleiß geführt. Das neue System dagegen setzt auf einen Draht, der an beiden Enden fest mit Elektroden verbunden und in ein schützendes Plastiksubstrat gehüllt ist.

„Dieses Design ist widerstandsfähiger. Es eliminiert den Verschleiß der Strukturen und das Problem eindringender Feuchtigkeit“, erklärt Wang. Letzteres ist wichtig, da Zinkoxid in Wasser löslich ist. Insgesamt versprechen sich die Forscher von ihrer Neuentwicklung daher eine höhere Zuverlässigkeit und damit Praxistauglichkeit.