Para Peneliti Mengembangkan Generator Listrik Tertipis Didunia

Berdasarkan laporan Columbia Teknik dan Georgia Institute of Technology bahwa mereka telah membuat pengamatan pertama eksperimental piezoelektrik dan efek piezotronic dalam bahan atom tipis, molibdenum disulfida (MoS2), sehingga generator listrik dan mechanosensation perangkat unik ini menjadi kasat mata, sangat ringan, dan sangat kuat ketika ditekuk dan elastis.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan secara online 15 Oktober 2014, di Nature, kelompok penelitian dari kedua lembaga menunjukkan generasi baru dari segi mekanikal listrik dari dua dimensi (2-D) bahan MoS2. Yang disebut efek piezoelektrik, effect ini sebelumnya telah diprediksi secara teoritis.

Piezoelektrik adalah efek terkenal di mana peregangan atau penekanan materi yang menyebabkan benda tersebut menghasilkan tegangan listrik (atau sebaliknya, di mana jika tegangan dipasang akan terjadi pengembangan atau kontrak). Tapi untuk ketebalan bahannya hanya beberapa ketebalan atom, tidak ada pengamatan eksperimental piezoelektrik telah dibuat sampai sekarang. Pengamat melaporkan hari ini telah membuat penemuam baru untuk bahan dua dimensi seperti molibdenum disulfida, membuka potensi mengembangkan penemuan jenis baru perangkat elektronik yang dapat dikontrol secara mekanisme.

"Bahannya hanya satu lapisan atom-bisa yang dibuat sebagai perangkat wearable, mungkin diintegrasikan ke dalam pakaian, untuk mengkonversi energi dari gerakan tubuh anda untuk menghasilkan listrik dan listrik dapat dipakai untuk sensor atau peralatan medis, atau mungkin rental genset, pasokan energi ini cukup untuk mengisi baterai telepon di saku Anda, "kata James Hone, profesor teknik mesin di Columbia dan pemimpin penelitian.

"Bukti efek piezoelektrik dan efek piezotronic menambahkan fungsionalitas baru untuk bahan dua dimensi ini," kata Zhong Lin Wang, Kepala Profesor 'di Georgia Tech School of Material Science and Engineering dan rekan pemimpin penelitian. "Masyarakat sangat tertarik dengan material molibdenum disulfida, dan penjelasan efek piezoelektrik yang menjadi penemuan baru dari segi material."

Selang beberapa waktu mereka terus mencari tahu dan akhirnya kelompok penelitiannya menyimpulkan bahwa graphene, bentuk 2-D karbon, adalah bahan terkuat. Dia dan Lei Wang, postdoctoral fellow di grup Hone itu, telah secara aktif mengeksplorasi sifat bahan 2-D seperti graphene dan MoS2 karena mereka meregang dan terkompresi.

Penelitiannya merintis dibidang nanogenerators piezoelektrik untuk mengubah energi mekanik menjadi listrik. Dia dan rekan postdoctoral Wenzhuo Wu juga mengembangkan perangkat piezotronic, yang menggunakan tenaga piezoelektrik untuk mengontrol aliran arus melalui materi seperti gerbang teganganan di transistor diterminal tiga konvensional.

Ada dua kunci untuk menggunakan molibdenum disulfida untuk menghasilkan arus:

• Menggunakan lapisan ganjil dan meregangkan dalam arah yang benar. 

• Materi ini sangat bergantung pada kutub magnet.

Namun, Zhong Lin Wang mencatat, sehingga dia bisa mengambil kesimpulan bahwa jumlah lapisan yang menolak efek piezoelektrik biasanya struktur kristal materialnya piezoelektrik juga namun dalam orientasi kristal tertentu saja.

Untuk studi di Nature, tim Hone yang ditempatkan untuk melakukan penelitian tentang serpihan tipis MoS2 pada substrat plastik fleksibel dan menentukan bagaimana kisi kristal mereka berorientasi menggunakan teknik optik. Mereka kemudian mengabungkan elektroda logam ke serpih. Dalam penelitian yang dilakukan di Georgia Tech, kelompok Wang menginstal elektroda untuk mengukur piezoelektrik pada sampel yang disediakan oleh kelompok Hone, lalu diukur arusnya sebagai sampel kasar mekanisme. Mereka memantau konversi mekanik menjadi energi listrik.

Para peneliti juga mencatat bahwa tegangan output akan terbalik ketika mereka berubah arah dari yang sudah diterapkan, dan menghilang dari bentuk bahkan menjadi lapisan atom, dan mereka membenarkan prediksi teoritis ini yang diterbitkan tahun lalu. Kehadiran efek piezotronic di lapisan MoS2 ini aneh juga, dan ini merupakan penelitian untuk pertama kalinya.

"Apa yang benar-benar membuat mereka tertarik adalah sekarang kami telah mengambil kesimpulan bahwa bahan seperti MoS2, yang tidak ada piezoelektriknya dalam bentuk curah, bisa menjadi piezoelektrik ketika menipis ke lapisan atom tunggal," kata Lei Wang.

Agar piezoelektrik bertahan, materi harus istirahat. Sebuah lapisan atom tunggal MoS2 memiliki struktur seperti itu, dan harus piezoelektrik. Namun, dalam MoS2 massal, lapisan berturut-turut yang berorientasi pada arah yang berlawanan, akan menghasilkan tegangan positif dan negatif yang menolak satu sama lain dan memberikan nol efek kepada piezoelektrik.

"Ini menambah anggota baru dalam kelompok piezoelektrik untuk perangkat fungsional," kata Wenzhuo Wu.

Bahkan, MoS2 adalah salah satu dari kelompok bahan semikonduktor 2-D yang dikenal sebagai dichalcogenides atau logam transisi, yang semuanya diperkirakan memiliki sifat piezoelektrik yang sama. Seperti yang telah ditunjukkan oleh Hone dan rekan-rekannya, bahan 2-D dapat ditarik lebih jauh daripada bahan konvensional.

Penelitian ini bisa membuka pintu untuk pengembangan aplikasi baru dibidang material dan properti yang unik.

"Ini adalah karya eksperimental pertama di duia ini dan merupakan contoh yang membuat dunia menjadi berbeda ketika ukuran sumber energi menyusut dengan skala atom," Hone menambahkan. 

"Dengan apa yang kita pelajari, kita ingin membangun perangkat yang berguna untuk semua jenis pekerjaan."

Pada akhirnya, Zhong Lin Wang mencatat, penelitianya dapat menyelesaikan masalah nanosystems atom-tebal yang didukung oleh pemanenan energi mekanik dari lingkungan. Penelitian ini juga mengungkapkan efek dari piezotronic bahan dua dimensi untuk pertama kalinya, yang sangat memperluas penerapan bahan berlapis untuk manusia, mesin, robotika, MEMS, dan elektronik fleksibel aktif.

Untuk studi ini, tim peneliti juga bekerja sama dengan Tony Heinz, David M. Rickey Profesor Komunikasi Optik di Columbia Teknik dan profesor fisika di Columbia Graduate School of Arts and Sciences.

Penelitian ini didukung oleh Departemen Energi AS (DOE), Kantor Dasar Ilmu Energi (BES) (No. DE-FG02-07ER46394) dan US National Science Foundation (DMR-1122594).