Για τους περισσότερους ανθρώπους, ο στατικός ηλεκτρισμός είναι μια ήπια οδυνηρή όχληση. Ωστόσο, οι μηχανικοί τα τελευταία χρόνια εργάζονται για να αξιοποιήσουν αυτό το φαινομενικά τυχαίο φαινόμενο για τη δημιουργία μικρών ποσοτήτων ηλεκτρικού ρεύματος φθηνά και εύκολα.
Ο περισσότερος στατικός ηλεκτρισμός είναι ένα προϊόν του «τριβοηλεκτρικού αποτελέσματος», το οποίο συμβαίνει όταν έρχονται σε επαφή δύο υλικά και τα ηλεκτρόνια διακινούνται μεταξύ τους. Όταν τα υλικά αποσπαστούν, υπάρχει μια έλλειψη ισορροπίας των ηλεκτρονίων που απομένουν, με μερικά από τα άτομα των υλικών να κερδίζουν επιπλέον ηλεκτρόνια από άλλα.
Αυτή η ανισορροπία δημιουργεί ένα ηλεκτρικό φορτίο στα υλικά και τα άτομα των υλικών επιθυμούν να επιστρέψουν στην ουδέτερη φόρτιση, δημιούργησε ηλεκτρική ενέργεια. Το σοκ που παίρνετε όταν αγγίζετε ένα πόμολο μετά το περπάτημα σε ένα βελούδινο χαλί είναι τα άτομα του σώματός σας που εκπέμπουν τα επιπλέον ηλεκτρόνια που συλλέγουν από το χαλί έτσι ώστε να μπορούν να επιστρέψουν στο ουδέτερο φορτίο.
Η τριβοηλεκτρική ενέργεια είναι απρόβλεπτη, αλλά οι μηχανικοί τα τελευταία χρόνια δημιουργούν καινοτόμους τρόπους για να αξιοποιήσουν τις δυνατότητές της, από ηλεκτρόδια σε ελαστικά αυτοκινήτων έως σανίδες ξύλου που δημιουργούν στατική όταν μπαίνουν. Ένας από τους πρωτοπόρους στον τομέα αυτό είναι ο μηχανικός της Γεωργίας του Ινστιτούτου Τεχνολογίας Zhong Lin Wang, ο οποίος δημιούργησε τριολεκτικά γεννήτριες από μια μεγάλη ποικιλία υλικών, συμπεριλαμβανομένων πολύ λεπτών πολυμερών που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως οθόνη αφής, υφάσματα και ακόμη και ανακυκλωμένα μπουκάλια σόδας.
"Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σχεδόν οποιοδήποτε υλικό για το σκοπό αυτό", λέει ο Wang. Για την πιο πρόσφατη παραγωγή του, η Wang έφτασε για ένα υλικό που λίγοι θα συσχετίζονταν με ηλεκτρικό ρεύμα σε χαρτί. Ως παιδί, ο Wang λέει ότι έπαιξε με περίπλοκες δημιουργίες από χαρτί κοπής και αναδίπλωσης. Αυτή η τέχνη της Ανατολικής Ασίας, η οποία χρονολογείται εδώ και χιλιάδες χρόνια, ονομάζεται "kirigami", μεταφράζοντας σε "κομμένο χαρτί" (είναι στενά συνδεδεμένη με τα πιο διάσημα "origami", που σημαίνει αναδιπλούμενο χαρτί).
"Είναι ίσως το φθηνότερο υλικό [πιθανό], " λέει ο Wang γιατί επέλεξε χαρτί "και είναι ένα βιοδιασπώμενο και ασφαλές υλικό που χρησιμοποιούμε καθημερινά".
Ο Wang και η ομάδα του κόπησαν γυαλόχαρτο σε ορθογώνια με λέιζερ και τα κάλυψαν σε λεπτά στρώματα χρυσού και άλλων αγώγιμων υλικών. Στη συνέχεια συναρμολόγησαν τα ορθογώνια σε τρισδιάστατα σχήματα ρόμβου. Αυτοί οι ρόμβοι, που μπορούν να χωρέσουν στην παλάμη του χεριού τους και να διπλωθούν για να αποθηκευτούν σε ένα πορτοφόλι ή τσέπη, παράγουν ηλεκτρική ενέργεια όταν ένα πρόσωπο πιέζει πάνω τους τα δάχτυλά τους. Αυτό φέρνει τα αγώγιμα στρώματα σε επαφή μεταξύ τους, δημιουργώντας την ανισορροπία των ηλεκτρονίων που προκαλεί στατική φόρτιση. Η επανειλημμένη συμπίεση στη συσκευή χαρτιού για λίγα λεπτά μπορεί να δημιουργήσει περίπου 1 βολτ ενέργειας, που είναι αρκετό για να φορτίσετε ένα ρολόι ή ένα ασύρματο τηλεχειριστήριο ή ακόμα και μια μικρή ιατρική συσκευή για λίγα λεπτά σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, λέει ο Wang.
Η χρήση του Wang μιας δομής πλέγματος εντός του ρόμβου ήταν μια «έξυπνη προσέγγιση για την αύξηση της επιφάνειας για την παραγωγή τριβοηλεκτρικών», λέει ο Max Shtein, μηχανικός του Πανεπιστημίου του Michigan, ο οποίος χρησιμοποίησε kirigami για τη δημιουργία τρισδιάστατων ηλιακών συλλεκτών που μπορούν να συλλάβουν περισσότερο φως ο ήλιος κινείται στον ουρανό. Ο ηλεκτρολόγος μηχανικός του Πανεπιστημίου της Κολούμπια, κ. John Kymissis, ο οποίος, όπως ο Shtein, δεν συμμετείχε σε αυτή την έρευνα, είχε επίσης επαίνους για τον "έξυπνο σχεδιασμό της Wang για μια ολοκληρωμένη δομή παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας".
Ο Wang, ο οποίος έχει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που εκκρεμεί σε αυτήν τη συσκευή, ελπίζει να δει ότι αναπτύχθηκε σε λίγα χρόνια για να πωληθεί ενδεχομένως ως φθηνός αναλώσιμος φορτιστής ή ακόμα πιο σημαντικό ως εργαλείο για να διδάξει στα παιδιά πώς λειτουργεί ο ηλεκτρισμός.
"Μπορούν να παράγουν ενέργεια και να ανάβουν τα φώτα", λέει ο Wang για τις δυνατότητες. "Όλα αυτά τα καλά πράγματα που μπορούν να κάνουν με μια απλή δομή."
Ο φορτιστής χαρτιού περιγράφεται σε πρόσφατο τεύχος του περιοδικού ACS Nano.
