Duwen en trekken, dat levert spanning. Sommige mensen kunnen er beter tegen dan anderen, en bij materialen is het niet anders. Met name pi‰zo-elektrische materialen reageren nogal prikkelig. Al bij geringe mechanische belasting – duwen, trekken, buigen of draaien – wekken ze een elektrische spanning op. De vonk in een gasaansteker bijvoorbeeld is er aan te danken. En in een elektronisch drumstel zet een pi‰zo-elektrisch materiaal de klap van de drumstick om in een elektrisch signaal.

Op nanoschaal werkt het precies hetzelfde. De Amerikaanse hoogleraar Zhong Lin Wang is ‚‚n van de eersten die zich realiseerde dat je daar nuttig gebruik van kunt maken. Vier jaar geleden publiceerde hij in Science al over het benutten van het pi‰zo-elektrische effect in zinkoxide nanodraden. Hij liet toen zien dat er elektriciteit mee is op te wekken. Maar toen ging het om een paar draden onder de tip van een Atomic Force Microscope. 

Deze week is in Nature Nanotechnology te lezen hoe zijn team bij het Georgia Institute of Technology (Atlanta, Verenigde Staten) dit concept verder heeft ontwikkeld tot bruikbare nanogeneratoren met vele duizenden nanodraden die samen voldoende elektriciteit produceren. Ze zijn te maken in een goedkoop, relatief eenvoudig chemisch proces onder milde omstandigheden. De veelgeciteerde nano-hoogleraar stelt in een toelichting dat er nu een technologie-routekaart is waarmee praktische producten zijn te realiseren.

Batterijloze apparaatjes
Een tot de verbeelding sprekende toepassing is de energievoorziening van minuscule medische instrumentjes in het lichaam. Bij wijze van demonstratie laat Wang zien dat zijn generatoren voldoende elektriciteit kunnen leveren voor sensoren. Hij koppelde er ‚‚n met een sensor voor de meting van de zuurgraad (pH) en ‚‚n voor het meten van UV-licht. Het zijn volgens Wang de eerste autonome nanosensoren werkend op elektriciteit opgewekt met bewegingsenergie.

De nano-prof voorziet een hele nieuwe klasse van batterijloze micro-apparaatjes die hun energie halen uit de beweging van hun omgeving. Geluidsgolven, getijdestromen, de bloedsomloop; de generatoren kunnen er energie uit oogsten voor microsystemen die volledig zelfstandig voortdurend actief zijn.

Ook grootschaliger toepassing zijn mogelijk. Met een uitgekiende opstelling van gekoppelde generator-eenheden wisten de Amerikanen een spanning van 1,26 volt te bereiken. In principe is dat genoeg om een batterij op te laden. Het ontbreekt nog wel aan voldoende vermogen (de laadstroom is nog niet hoog genoeg), maar dat valt volgens Wang te verbeteren. 

Hij verwacht dat zijn nanogeneratoren in de toekomst onder andere te vinden zullen zijn in de schoenen van soldaten, die – tenmiste zolang ze blijven lopen – hun eigen elektriciteit opwekken. Ze hoeven dan minder batterijen mee te zeulen. Met een beetje fantasie zijn er legio andere toepassingen te bedenken. Denk bijvoorbeeld aan generatoren onder tapijten, in autobanden of op traptreden. 

Overigens is nano-generator in dergelijke toepassingen een wat misleidende term. De doorsnede van de draden zinkoxide wordt weliswaar in nanometers uitgedrukt, maar de complete generator zal al gauw centimeters groot zijn. Immers: hoe groter de generator, hoe meer elektriciteit er wordt opgewekt.