Het klinkt futuristisch, maar het is dichterbij dan je denkt: schoenen of een trui die gewoon lekker zitten en tegelijkertijd stroom opwekken. Met een speciaal soort moleculen moet het materiaal zowel comfortabel zijn, als elektriciteit produceren.
Het gaat om moleculen die amfifielen worden genoemd en die vaak worden gebruikt in consumentenproducten om de wrijving tegen de menselijke huid te verminderen. Amfifielen zitten bijvoorbeeld in luiers om wrijving te voorkomen met de tere babybilletjes.
Ideale amfifielen
“We wilden een model ontwikkelen dat ons een gedetailleerd fundamenteel inzicht zou geven in hoe verschillende amfifielen de oppervlaktewrijving van diverse materialen beïnvloeden”, zegt onderzoeker Lilian Hsiao van de North Carolina State University. “Het model helpt ons de moleculaire basis voor wrijvingsvermindering te begrijpen en kan door ingenieurs worden gebruikt om de eigenschappen van een materiaal aan te passen voor verschillende toepassingen.”
Een amfifiel is een molecuul dat zowel hydrofiele (waterminnende) als hydrofobe (watervrezende) eigenschappen heeft. De structuur van een amfifiel molecuul bestaat uit een hydrofiele ‘kop’ die goed oplost in water en een hydrofobe ‘staart’ die water afstoot
“We begonnen vervolgens met een reeks experimenten om te onderzoeken of we amfifielen konden gebruiken om materialen aan te passen en ze te integreren in apparatuur”, vervolgt Saad Khan, hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie aan NC State. “We wilden specifiek weten of we energie konden opwekken uit wrijving in met amfifielen gemodificeerde materialen. Het bleek dat we niet alleen elektriciteit konden opwekken, maar dat ook konden doen terwijl we de wrijving verminderden die mensen ervaren die deze materialen dragen.”
Met andere woorden, de onderzoekers ontdekten dat ze amfifielen konden gebruiken om draagbare stoffen te maken met gladde oppervlakken die goed aanvoelen op de menselijke huid. En dan hadden sommige amfifielen ook nog de eigenschappen om energie op te wekken juist door die wrijving tegen de menselijke huid of andere materialen.
300 volt
“De technologie om statische energie op te slaan is goed ontwikkeld, maar apparaten die langdurig gedragen kunnen worden ontbreken nog”, klinkt het. “In onze tests ontdekten we dat deze amfifiele materialen niet alleen goed aanvoelen op de huid, maar ook tot 300 volt kunnen genereren, wat opmerkelijk is voor een klein stukje materiaal.”
Veel wrijving waar je geen last van hebt
Dat klinkt makkelijker dan het is, want om statische elektriciteit op te wekken heb je wrijving nodig, terwijl je voor comfortabele kleding juist zo min mogelijk wrijving wil. Er waren dan ook nogal wat uitdagingen om het materiaal te ontwikkelen, legt hoofdonderzoeker Lilian Hsiao uit in gesprek met Scientias.nl. “Een van de moeilijkste dingen om te doen is om tegelijkertijd wrijving te verminderen en de energieopbrengst te maximaliseren, omdat er een aanzienlijke hoeveelheid wrijving nodig is om voldoende statische energie op te wekken.”
De onderzoeker legt ons ook even uit hoe dat precies gaat. “De manier waarop dit werkt is dat, wanneer twee materialen tegen elkaar wrijven, hun elektronenwolken op elkaar kunnen inwerken en aan elkaar trekken om ongebalanceerde ladingen te genereren die dipolen worden genoemd. Zonder deze dipolen is het niet mogelijk om een elektrisch veldverschil te krijgen. We ontdekten dat sommige moleculen een speciale affiniteit met elektronen hebben. Als ze gekoppeld worden aan een ander materiaal dat zijn elektronen liever afstaat, kan dit type koppeling uitstekende hoeveelheden elektriciteit produceren en tegelijkertijd de wrijving verminderen.”
Tal van toepassingen
Maar hoe is het dan gelukt om de eigenschappen van amfifielen zo aan te passen dat ze geschikt zijn voor bijvoorbeeld de batterijen van draagbare apparaten? “Geloof het of niet, maar veel draagbare apparaten zijn gemaakt van polymeren die ook gemengd kunnen worden met deze amfifiele moleculen. We hebben een soort siliconenmaterialen getest die vaak worden gebruikt in zachte robotica en die ook te vinden zijn in horloges met rubberen oppervlakken. We hoefden ze helemaal niet aan te passen, ze kwamen zoals ze waren”, klinkt het enthousiast.
De onderzoeker ziet tal van praktische toepassingen voor het materiaal. “Het kan gebruikt worden in voorwerpen die veel en weinig bewegen, bijvoorbeeld in onze schoenen en kleding die tegen het lichaam wordt gedragen. Stel je voor dat de binnenzolen van hardloopschoenen gevuld zijn met deze materialen. Elke stap zou een kleine hoeveelheid elektrische energie kunnen opwekken die kleine sensoren of andere draagbare apparaten van energie kan voorzien. De stroom kan ook worden opgeslagen in batterijen voor later gebruik. Natuurlijk geldt: hoe groter het oppervlak, hoe meer stroom er kan worden opgewekt, dus onderzoekers proberen het oppervlak van deze materialen te vergroten”, aldus Lilian Hsiao.
Slimme schoenen
Welke sectoren of producten kunnen het meest van deze technologie profiteren, denkt de onderzoeker? “Ik zou zeggen industrieën die high-end atletiek- of andere sportuitrusting produceren, en ook gespecialiseerde industrieën voor technische uitrusting die wordt gedragen door soldaten of mensen die veel tijd buiten doorbrengen. Ik zou me bijvoorbeeld kunnen voorstellen dat je een paar slimme schoenen draagt die comfortabel zijn en tegelijkertijd wat extra energie produceren die van pas kan komen in barre of afgelegen omstandigheden.” Een veelbelovende technologie dus, die voor allerlei toepassingen handig is.
