KALBARNEWS.CO.ID (INDIA) - Para ilmuwan dari Universitas Pusat Gujarat dan Universitas Woxsen di India telah menciptakan material komposit baru untuk nanogenerator triboelektrik, perangkat yang dapat menghasilkan listrik dari gerakan mekanis seperti tekanan, getaran, atau gerakan manusia. Nanokomposit Baru Yang Meningkatkan Efisiensi Generator Berbasis Gerakan
Nanokomposit ini berbasis grafit nitrida, titanium dioksida, dan polimer konduktif polianilin, yang tertanam dalam matriks polimer polivinilidena fluorida (PVDF), polimer fleksibel dengan sifat dielektrik dan piezoelektrik yang baik.
Kombinasi ini memungkinkan peningkatan efisiensi konversi energi secara signifikan dengan mengendalikan muatan listrik pada tingkat molekuler.
Generator triboelektrik konvensional berfungsi dengan cara mendekatkan dua material dengan sifat penarik elektron yang berbeda. Selama gesekan, satu material menjadi bermuatan positif dan yang lainnya bermuatan negatif, dan arus dihasilkan ketika keduanya dipisahkan.
Namun, efisiensi perangkat ini seringkali terbatas: sebagian muatan hilang, dan material tidak selalu mentransfer energi yang tersimpan ke sirkuit eksternal secara efisien. Para ilmuwan India telah mengusulkan solusi untuk masalah ini dengan menambahkan pengisi khusus ke film polimer sehingga dapat melakukan tiga fungsi sekaligus: menjebak muatan, mencegahnya hilang, dan memastikan transfernya yang cepat ke elektroda.
Untuk mendapatkan material ini, para peneliti pertama-tama mensintesis komponen-komponennya secara individual. Mereka menghasilkan grafit nitrida (g-C₃N₄) dalam bentuk nanosheet tipis melalui perlakuan termal tiourea. Kemudian, mereka menggunakan polimerisasi kimia untuk menyatukan molekul anilin ke lembaran-lembaran ini sambil menambahkan nanopartikel titanium dioksida (TiO₂).
Hasilnya adalah struktur yang menyerupai lembaran yang dilapisi nanopartikel dan terjalin dengan rantai polimer konduktif. Komposit tersebut kemudian dicampur dengan larutan PVDF dalam dimetilformamida dan diendapkan pada substrat kaca yang dilapisi lapisan konduktif transparan indium timah oksida melalui pelapisan putar (spin coating), metode yang menghasilkan film tipis seragam dengan ketebalan hanya beberapa mikrometer. Lapisan sebaliknya terbuat dari Teflon, material dengan kecenderungan tinggi untuk mengakumulasi muatan negatif.
Perangkat baru ini beroperasi dalam mode kontak-pemisahan vertikal. Ketika lapisan Teflon atas ditekan terhadap lapisan komposit berbasis PVDF bawah, muatan triboelektrik dihasilkan di antarmuka. Ketika pegas dilepaskan, lapisan-lapisan tersebut terpisah, yang menciptakan perbedaan potensial, dan elektron mengalir melalui sirkuit eksternal, menghasilkan arus.
Untuk mencari keseimbangan sifat yang optimal, para ilmuwan mengembangkan empat versi generator, dengan memvariasikan konsentrasi Teflon dari 30% hingga 60% berat. Mereka melakukan semua pengukuran secara manual pada suhu ruangan, mensimulasikan kondisi operasi dunia nyata, dan memproses sinyal menggunakan skrip khusus yang secara otomatis mengekstrak setiap siklus penekanan tombol, menghilangkan noise, dan menghitung parameter kunci.
Hasil penelitian menunjukkan adanya pertukaran yang jelas antara tegangan dan arus. Perangkat dengan 60% Teflon mencapai tegangan rangkaian terbuka maksimum 4,56 volt, karena material ini menciptakan kerapatan muatan permukaan yang sangat tinggi. Namun, arus hubung singkat relatif rendah, yaitu 0,9–1,2 μA.
Sementara itu, generator dengan 30% Teflon menghasilkan tegangan 3,2–3,4 volt, sedangkan arus mencapai 2,86 μA dan muatan yang ditransfer per siklus mencapai sekitar 200 nanocoulomb, hampir satu orde besaran lebih besar daripada sampel 60% Teflon.
Para peneliti menjelaskan bahwa menurunkan kandungan Teflon meningkatkan kontak mekanis dan permitivitas efektif lapisan, yang mempercepat transfer muatan sekaligus mengurangi potensi yang terakumulasi.
Analisis stabilitas operasional sangat informatif. Siklus demi siklus, para ilmuwan menilai sebaran parameter dan menemukan bahwa sampel 30% menunjukkan pulsa arus yang lebih seragam dan rentang interkuartil yang lebih kecil, yang mengindikasikan operasi yang lebih stabil.
Faktor puncak (rasio arus puncak terhadap akar kuadrat rata-rata) untuk sampel ini adalah 3,2 dibandingkan dengan 4,3 untuk sampel 60%, yang menegaskan bahwa sampel pertama beroperasi dengan cara yang lebih dapat diprediksi dan stabil. Oleh karena itu, dimungkinkan untuk menyesuaikan komposisi untuk memilih tegangan tinggi untuk sensor atau arus tinggi dengan transfer muatan yang besar untuk memberi daya pada perangkat.
Perlu dicatat bahwa prototipe ini belum mencapai tegangan tertinggi yang pernah ada, karena beberapa perangkat dapat menghasilkan ratusan volt. Namun, para ilmuwan India tidak bermaksud untuk mencapai rekor baru, melainkan secara sistematis mempelajari cara kerja sistem tiga komponen mereka.
Kesimpulan utama mereka adalah bahwa komposisi komposit yang dipilih dengan baik memungkinkan pengendalian keseimbangan antara tegangan dan arus, sementara variasi konsentrasi Teflon dapat menyesuaikan perangkat untuk aplikasi apa pun, mulai dari sensor dan elektronik yang dapat dikenakan hingga sumber daya otonom untuk perangkat berdaya rendah. (tim Liputan)
Editor : Aan
.jpeg)
