El dispositivo bio-piezoeléctrico de semilla de mimosa funciona como supercondensador de carga autoalimentada con alta eficiencia
Multifuncionalidad (generación de energía, almacenamiento y autoalimentación) de semillas Mimosa pudica Linn. Crédito: Singh et al.
La mayoría de los generadores de energía actualmente empleados en la industria electrónica se basan en materiales piezoeléctricos inorgánicos que no son biocompatibles y contribuyen a la contaminación del medio ambiente en la Tierra. En los últimos años, algunos investigadores de electrónica e ingenieros químicos han estado tratando de desarrollar dispositivos alternativos que puedan generar electricidad para implantes médicos, electrónica portátil, robots y otros electrónicos que aprovechan materiales orgánicos que sean seguros, bio-compatibles y no tóxicos.
Investigadores del Instituto Indio de Tecnología introdujeron recientemente un nuevo dispositivo basado en semillas de la planta de Mimosa Pudica, que puede servir tanto como un nanogenerador bio-piezoeléctrico y un supercondensador autocomisable. Se descubrió que su dispositivo propuesto, esbozado en un artículo publicado en el Chemical Engineering Journal, logró una eficiencia notable, al tiempo que tiene un impacto adverso menor en el medio ambiente.
“Este estudio fue motivado por la necesidad de sistemas de energía biocompatibles y autosuficientes para alimentar dispositivos médicos implantables (por ejemplo, marcapasos, neuroestimuladores) y electrónica portátil”, dijo el Dr. Bhanu Bhusan Khatua, autor principal del documento, a Tech Xplore.
“Los materiales piezoeléctricos inorgánicos existentes como los compuestos a base de plomo (p. Ej. (Pb, Zr) TIO3, PBTIO3) plantearon riesgos de toxicidad, daño ecológico y complicaciones quirúrgicas debido a la no biodegradabilidad, que nos inspiraron a explorar la alternativa de Mimosa Pudica Pudica (MPL) semillas naturales, editivas y abundantes, alternativas de los recursos ecológicos.”
El reciente estudio del Dr. BB Khatua y sus colegas tenían tres objetivos principales. En primer lugar, los investigadores se propusieron desarrollar un nuevo nanogenerador bio-piezoeléctrico, que utiliza un hidrogel derivado de semillas MPL para cosechar energía mecánica, como la asociada con la presión de los dedos.
Utilizando el mismo hidrogel, los investigadores también deseaban diseñar un supercondensador autocomisable con electrodos basados en RGO/Nizto, que podría almacenar eficientemente la energía cosechada por el nanogenerador. Su objetivo final era integrar estas dos capacidades (es decir, recolección y almacenamiento de energía) en un solo dispositivo biocompatible que podría operar de forma autónoma dentro de varios productos electrónicos, incluidos implantes médicos y tecnologías portátiles.
“El efecto cooperativo de la electroactividad y las transformaciones intrincadas dentro del marco molecular de las partículas de polvo de semilla MPL cuando se someten a estrés mecánico se puede utilizar para caracterizar el mecanismo de generación de nano de energía del dispositivo MSPEG”, explicó el Dr. Khatua.
“El polvo de semilla MPL está compuesto de tubulina, glucosilflavonas, cetona fenólica, buffadienolida, polisacáridos de glucuronoxilano (es decir, hemicelulosa en angiospermas compuestas de cadena de xilosa sustituida con ácido glucurónico (a menudo 4 -o -metilados) y otros grupos de acetil), y otros grupos de bsioligandos de N. Grupos, que están conectados por el bonding H -bonding inter/intramolecular y transfieren el estrés mecánico a la energía eléctrica a medida que estos grupos funcionales se deforman “.
La principal ventaja del nuevo dispositivo desarrollado por el Dr. Khatua y sus colegas es que se basa en semillas de MPL comestibles, por lo que no es tan tóxico para el medio ambiente, como se empleó actualmente soluciones de recolección de energía basadas en materiales inorgánicos. A pesar de su biocompatibilidad, se descubrió que el dispositivo logra una alta eficiencia energética y la eficiencia de conversión de energía.
“Como cosechador de energía piezoeléctrico (MSPEG), nuestro dispositivo logró una salida piezoeléctrica de ~ 13.5 V y ~ 2.98 μA, superando a muchos competidores biológicos”, dijo el Dr. Khatua. “Además, el biohidrogel de semillas MPL exhibe 24 pc/n de coeficiente piezoeléctrico y 40.2% de eficiencia de conversión de energía”.
Cuando trabajaba como supercondensador, se descubrió que el dispositivo desarrollado por el Dr. Khatua y sus colegas exhibía una buena estabilidad del ciclismo, reteniendo el 87.5% de su capacitancia después de 6,000 ciclos de operación. También se descubrió que tenía una densidad de energía de 125.4 wh/kg a 1200 W/kg de densidad de potencia y es capaz de generar y almacenar autónomos de manera autónoma, incluso bajo estrés mecánico.
“Nuestro dispositivo puede permitir una potencia más segura y duradera para implantes (por ejemplo, marcapasos) sin reemplazos de batería de riesgo”, dijo el Dr. Khatua. “También puede apoyar el desarrollo de electrónica flexible para el monitoreo de la salud o los sensores de IoT, ayudando a reducir la dependencia de los materiales tóxicos y promover sistemas de energía circulares”.
En el futuro, el nuevo nanogenerador y supercondensador desarrollado por este grupo de investigación podría mejorarse más a fondo y probarse en varios dispositivos electrónicos. Como el hidrogel derivado de semillas MPL en el que se basa es susceptible a la biodegradación, el Dr. Khatua y sus colegas también planean tratar de mejorar su respuesta piezoeléctrica modificando su estructura.
“En nuestros próximos estudios, nos concentraremos en la escalabilidad de los métodos de síntesis rentables para los materiales electroactivos RGO/Nizto, así como en los dispositivos MSPEG y SCS desarrollados y su integración y prueba en prototipos médicos y portátiles prácticos”, agregó el Dr. Khatua. “También exploraremos la multifuncionalidad de los sistemas híbridos que combinan la recolección piezoeléctrica, triboeléctrica y de energía solar”.
Más información: Prem Pal Singh et al, Mimosa Pudica Linn Semilla derivada de nanogeneradores piezoeléctricos naturales y separador para supercondensadores de alto rendimiento basado en RGO/Nizto, Chemical Engineering Journal (2025). Doi: 10.1016/j.cej.2025.161802.
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Cita: el dispositivo bio-piezoeléctrico de semillas de Mimosa funciona como supercondensador de carga automática con alta eficiencia (2025, 16 de abril) Recuperado el 16 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-mimosa- biopiezoelectric-device.htmllllin
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