TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

Pieozoelektrische Zinkoxid-NanodrÄhte

Eine besondere Wichtigkeit im Bereich des Micro Energy Harvesting haben piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte (ZnO) erlangt, weshalb diese Technologie im Folgenden gesondert behandelt wird. ZnO-Nanostrukturen eignen sich besonders gut als Nanogenerator-Funktionselemente, und zwar dank ihrer zahlreichen Vorteile, einschließlich der Transparenz, der bleifreien Biokompatibilität, der Nanostruktur-Formbarkeit, der chemischen Stabilität und den gekoppelten piezoelektrischen und Halbleitereigenschaften.

Als vermutlich erste stellen Prof. Zhong Lin Wang, Direktor des Center for Nanostructure Characterization am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta, und sein Team im Jahr 2006 pieozoelektrische ZnO-Nanodrähte vor, die durch zyklisches Dehnen und Entspannen piezoelektrische Potentiale auf- und abbauen. Dadurch entsteht ein wachsender Elektronenfluß mit einer oszillierenden Ausgangsspannung von bis zu 50 mV, wobei bis zu 6,8 % der aufgewendeten mechanischen Energie in Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Erprobung des Konzepts dient ein Generator mit 200 – 300 µm langen Drähten.

Die 1999 begonnene Entwicklung dieser ‚flexiblen Ladungspumpe’ kann Nanomaschinen ermöglichen, die ohne externe Stromversorgung auskommen. Zudem sei die Neuentwicklung auch wesentlich zuverlässiger als die bisherigen mit Nanodrähten hergestellten Generatorsysteme, die aus Strukturen mit relativ frei beweglichen Komponenten bestanden. Dies habe nicht nur die Herstellung schwierig gemacht, sondern auch zu mechanischem Verschleiß geführt. Das neue System dagegen setzt auf einen Draht, der an beiden Enden fest mit Elektroden verbunden und in ein schützendes Plastiksubstrat gehüllt ist.

Im April 2007 meldet die Presse, daß es dem Team in Atlanta inzwischen gelungen sei, auf der Nano-Ebene erfolgreich mechanische in elektrische Energie umzuwandeln. Hierfür wurde ein Gleichstromgenerator aus piezoelektrischen ZnO-Nanodrähten konstruiert, der mit Ultraschall betrieben wird. Die Drähte sind 40 nm dick und 1 µm lang.

Die Stromerzeugung erfolgt, indem die Felder aus Nanodrähten mit einer platinbeschichteten Zick-Zack-Elektrode aus Silizium abgelenkt werden. Drückt diese Elektrode auf einen Draht, so wird dieser seitlich ausgelenkt. Dadurch entstehen auf den beiden Seiten des Drahtes mechanische Zug- und Druckspannungen, die positive bzw. negative elektrische Potentiale aufbauen.

Im Februar 2008 berichten die Wissenschaftler des Georgia Tech über die Entwicklung eines energieerzeugenden Stoffes, der sich für Kleidungen ebenso wie für Zeltplanen u.ä. eignet. Die hybride Struktur, die aus Kevlar-Fasern besteht, auf denen radial ZnO-Nanodrähte gezüchtet wurden, sei besonders gut geeignet um Vibrationen und Reibungsenergie niedriger Frequenzen (also unter 10 Hz) in elektrische Energie umzuwandeln. Die Forscher kombinierten hierfür den piezoelektrischen mit dem Halbleitereffekt. Die Zinkoxid-Beschichtung des Mikrofiber-Nanogenerator-Gewebes verliert allerdings stark an Wirksamkeit, sobald sie naß wird.

Die zum Einsatz gebrachten einkristallinen Nanodrähte haben eine sechseckige Grundfläche mit 50 - 200 nm Durchmesser und sind rund 3,5 µm lang. Die Strukturen werden mit zwei Schichten aus Tetraethoxysilan stabilisiert, wodurch die eigentliche Faser biegbar bleibt, ohne daß die ZnO-Drähtchen dabei verletzt werden. Ein zweiter, in Gold getauchter Kevlar-Faden biegt einerseits die ZnO-Nanodrähte, so daß es zu einer piezoelektrischen Ladungstrennung kommt, und ruft andererseits durch den Gold-Zinkoxid-Kontakt eine auf dem Halbleitereffekt beruhende Ladungstrennung hervor. Über die goldbesetzte Elektrode können die gewonnenen Ladungen dann abfließen und genutzt werden.

Die Forscher schätzen, daß sich aus 1 m² des derart aufgebauten textilen Materials etwa 20 – 80 mW gewinnen lassen. Während bei den Laborversuchen die Fäden gezielt gegeneinander gedreht wurden, könnte in der Natur etwa der Wind diese Aufgabe übernehmen.

Für die entsprechend ausgerüstete Kleidungsstück ist auch schnell ein neuer Begriff gefunden: das Power-Shirt. Wenn ein Quadratmeter dieses Stoffes bis zu 80 mW Strom erzeugen kann, dann reicht dies vollkommen aus um elektronische Kleingeräte wie Handys oder Sensoren zu versorgen. Denkbar sind ferner Gardinen, die allein durch leichte Bewegungen im Wind zum Stromerzeuger werden – oder Zelte, deren Außenhaut dann die tragbare Elektronik und Beleuchtung im Inneren versorgt.

Im November 2008 meldet Wangs Gruppe die Entwicklung einen neuen Generators mit einem oszillierenden Output von 45 mV und einem Wirkungsgrad von knapp 7 %. Und schon Anfang 2009 können die Wissenschaftler demonstrieren, daß sich ihr Nanogenerator auch durch irreguläre biologische Bewegungen mit geringem Energiegehalt – etwa von einem Hamster – betreiben läßt. Diesem wird dabei eine kleine ‚Jacke’ angezogen, in welcher der Nanogenerator steckt, der bei 70 mV rund 1 nW leistet, sobald der Hamster in seinem Laufrad losrennt.

Die Forscher hoffen nun, das Stromerzeugungspotential innerhalb der nächsten drei Jahre soweit zu steigern, daß der Generator dann effektiv genug ist um in Gewebe eingenäht zu werden, aus dem man Kleidungsstücke fertigt. Dann könnte ein Mensch alleine durch seine Bewegungen seine tragbaren elektronischen Geräte aufladen.

Im April 2009 wird über eine Kooperation des Georgia Tech-Teams mit Prof. Xudong Wang von der University of Wisconsin-Madison berichtet. Dabei geht es um die Entwicklung eines hybriden Nanogenerators, der neben der Vibration auch die Sonnenenergie nutzen kann. Gearbeitet wird an einer Kombination aus Grätzel-Zelle (s. Abb. oben) und Nanogenerator (Abb. unten), die beide auf ZnO-Nanodrähten beruhen und auf dem gleichen geschichteten Silizium-Substrat sitzen.

Die oberste Schicht besteht hierbei aus einer Dünnschicht-Solarzelle, in der mit Farbstoff beschichtete ZnO-Nanodrähte eingebettet sind, während die untere Schicht den Nanogenerator enthält. Die große Oberfläche der Nanodrähte steigert dabei die Licht-Absorption, eine Entwicklung, die auf der Arbeit von Peidong Yang, Professor für Chemie an der University of California, Berkeley, basiert.

An der Unterseite des Siliziums befindet sich ein unregelmäßiges Gitter aus Polymer-beschichteten ZnO-Nanodrähten mit verzahnter Struktur, ähnlich der oben beschriebenen Zick-Zack-Elektrode von 2007. Sobald das Gerät Vibrationen ausgesetzt ist, kratzen diese ‚Zähne’ gegen eine darunterliegende Anordnung von vertikal ausgerichteten ZnO-Nanodrähten, was zur Schaffung des elektrischen Potentials führt.

Im Oktober 2009 legt Prof. Wang nach: Sein Team zeigt erstmals Nanosensoren, die keine zusätzlichen Energieerzeuger benötigen. Diesmal verwenden die Forscher einen vertikalen ZnO-Draht mit einem Durchmesser von 25 nm, um einen Feldeffekt-Transistor zu schaffen.

Die nächste Meldung stammt vom März 2010, als weiter verbesserte Sensoren im Nanomaßstab vorgestellt werden, deren winzige Generatoren aus Tausende von eingebetteten Nanodrähten bestehen, die in 700 Reihen angeordnet sind. Damit werden eine Spitzenspannung von 1,26 V und eine maximale Leistungsdichte von 2,7 mW/cm³ erreicht.

In einer weiteren Veröffentlichung im Oktober berichtetet eine der Wang-Gruppen über eine neue Technik zur Herstellung von piezoelektrischen Nanodrähten aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), was bisher schwierig war, da deren Heranzüchten Temperaturen von 650°C erforderlich machte. Mit einem als hydrothermaler Zerfall bekannten Verfahren, das bei nur 230°C abläuft, gelingt erstmals das chemische Epitaxie-Wachstum von vertikal ausgerichteten, einkristallinen Nanodraht-Arrays aus PZT auf einer Vielzahl von leitenden und nichtleitenden Substraten.

Mit den PZT-Nanodrähten als alternatives Materialsystem – obwohl dessen Leistung geringer als die von Zinkoxid ist – und einer Gleichrichterschaltung kann eine kommerzielle Laserdiode mit Strom versorgt werden.

Parallel dazu melden andere Gruppenmitglieder in einer eigenen Publikation Fortschritte bei der Leistungssteigerung der Nanogeneratoren. Ihr Ansatz, genannt ,skalierbarer Kehrdruck’ (scalable sweeping printing) umfaßt ein zweistufiges Verfahren: 1. das Übertragen vertikal ausgerichteter ZnO-Nanodrähte auf ein Polymersubstrat, um horizontale Anordnungen zu bilden, und 2. das Aufbringen von parallelen Streifenelektroden, um alle Nanodrähte miteinander zu verbinden.

Bei Verwendung einer einzelnen Schicht dieser Struktur werden eine Leerlaufspannung von 2,03 V erzeugt, während die maximale Ausgangsleistungsdichte etwa 11 mW/cm³ beträgt. Nun hofft das Team, innerhalb von fünf Jahren zu anwendungsreifen Produkten zu gelangen.

Im November 2010 wird ein Durchbruch gemeldet. Gezeigt wird ein flexibler Chip, der Strom erzeugt, wenn er zwischen zwei Fingern zusammengedrückt wird. Durch Vereinfachung des Designs, eine robustere Ausführung und die Integration viel mehr Nanodrähten ist der Nanogenerator mit seinen 3 V und bis zu 300 nA leistungsfähig genug, um Flüssigkristallanzeigen, Leuchtdioden und Laserdioden zu betreiben. Damit ist der aktuelle Nanogenerator fast 100 mal stärker als der von vor einem Jahr.

Das Team arbeitet jetzt daran, die Spannung 150 mal zu steigern, so daß der Chip auf bei Anwendungen im täglichen Leben funktioniert und MP3-Player oder andere kleine tragbaren Geräte aufladen kann. Dann könnten auch z.B. Umweltsensoren vom Wind, und Geräte der medizinischen Industrie wie Insulinpumpen von Herzschlägen angetrieben werden.

Im Jahr 2011 wird über die Entwicklung des ersten, durch Vibration selbstversorgenden Nano-Geräts von 1 cm² Größe berichtet, das 10 V und 0,6 µA produziert, die Energie in einem eingebauten Kondensator speichert, und diese anschließend nutzt, um die Leistungselektronik einschließlich eines Infrarot-Sensors und eines Funksenders zu versorgen, der Daten über die relativ große Entfernung von mehr als 9 m übertragen kann.

Um genügend Energie zur  Übertragung des Funksignals zusammen zu bekommen, sind nur drei Zyklen des Nanogenerator erforderlich, zum Betrieb des Sensors dagegen 1.000 Zyklen, die sich in einer ,Hoch-Streß-Umgebung’ jedoch ziemlich schnell addieren.

Wang, der schon 28 Patentanmeldungen getätigt hat, erhält im November eine Medaille der Materials Research Society. Seine Forschungen werden im übrigen von der National Science Foundation, der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem U.S. Department of Energy und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gefördert. Bereits im Dezember, als Ergebnis stetiger Verbesserungen, produzieren Arrays verbundener Nanogeneratoren bereits 30 V.

Im Juni 2012 stellen Wang und Kollegen ein neues Gerät vor, das auf dem Phänomen der Pyroelektrizität basiert. Der pyroelektrische Nanogenerator kann Wärme in Strom umwandeln und wird deshalb in dem entsprechenden Kapitelteil behandelt (s.d.). Auch in diesem Fall kommen Nanodrähte aus Zinkoxid zum Einsatz. Und obwohl der umtriebige Wang wieder einmal Anspruch auf eine Erstmaligkeit erhebt, hat ein gemeinsames Team von Wissenschaftlern des V. Loshkarev Instituts für Halbleiterphysik der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine und des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee bereits im September 2010 ein pyroelektrisches Verfahren vorgestellt, bei dem ferroelektrische Nanodrähte eingesetzt worden sind.

Der hybride Nanogenerator, der bereits April 2009 vorgestellt worden ist, kommt im Mai 2013 nochmals in die Presse. Vermutlich, weil der besondere Vorteil dieser Hybrid-Zelle ist, daß die Solarenergie allein zwar hohe Spannungen produziert, aber nicht für Geräte geeignet ist, die im Dunkeln verwendet werden, während Energie aus der Umgebungsbewegung beständiger angeboten wird, aber nur in einem kleineren Maßstab zur Verfügung steht. Durch die Kombination dieser Quellen kann dagegen eine äußerst zuverlässige Versorgung mit Strom gewährleistet werden.

Im August 2013 berichten die Fachblogs über einen neuen LED-Sensor,  der ein hochauflösendes Bild – und gleichzeitig seine eigene Energie und sein eigenes Licht erzeugt, wenn er gedrückt wird. Wang liefert auch gleich den passenden Namen dafür: Piezo-Phototronics. Er soll das Prinzip erstmals im Jahr 2009 beschrieben haben. Der Sensor basiert auf ZnO-Nanodrähten, die auf einem Gallium-Nitrid-Film (GaN) zum wachsen gebracht werden, was keine extreme Hitze erfordert.

Während die Böden der Nanodrähte in dem Film verankert sind, werden die Zwischenräume mit einem transparenten Thermoplasten gefüllt (Acrylglas). Um überschüssiges Thermoplast zu entfernen und die Spitzen der Nanodrähte freizulegen, wird Sauerstoffplasma verwendet. Eine Nickel-Gold-Elektrode komplettiert den unteren Kontakt, und ein dünner Film aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) dient als die gemeinsame Elektrode an der Oberseite.

Unter Belastung wird eine piezoelektrische Ladung an beiden Enden der Drähte geschaffen, die ein piezoelektrisches Potential bildet. Das Vorhandensein des Potentials verzerrt die Bandstruktur in dem Draht, so daß Elektronen länger in dem p-n-Übergang bleiben und die Effizienz der LED erhöht wird. Dabei ist die Effizienzsteigerung in der LED proportional zur Dehnung.

Das neue Prinzip der Bildgebung verwendet parallele Detektion, wobei das Feld der Nanodrähte ein Bild in Pixeln mit einer Auflösung von bis zu 6.300 dpi erzeugt. Wenn auf dem Feld geschrieben oder es auf andere Weise gedrückt wird, reagieren die Nanodrähte sofort auf den Druck und erzeugen Licht. Sobald der Druck nachläßt, schalten sie auch schnell wieder aus. Um  hin und her zu wechseln benötigen die Nanodrähte 90 Millisekunden oder weniger.

Die Nanogeneratoren von Wang und seinem Forschungsteam tauchen im Juni 2014 ein weiteres mal in der Presse auf – diesmal in Verbindung mit dem Konzept eines Land-Art-Parks in Dänemark, in welchem die Windenergie ganz ohne aufwendige Rotoren Strom erzeugen soll.

Das Projekt der Desiger Julio Alejandro Romero Alonso und Miguel Ángel López Carro aus Madrid trägt den Titel Windwaker ist für die ehemalige Industrielandschaft des Seehafen Kopenhagens gedacht, die dadurch zu einem neuen Bezugspunkt für den Tourismus, die Bürger und die Erneuerbaren Energien werden soll.

Alonso und Carro stellen sich eine Säulenstruktur aus Masten vor, die mit ihren hohen, dem Wind ausgesetzten Segeln einen neuen dynamischen Horizont schaffen. Um den Park auch in der Nacht zugänglich zu machen, gibt es Licht von den Basen der Masten. Die von Wang und seinem Forschungsteam entwickelten Nanogeneratoren sollen die hierfür nötige Energie sorgen, indem sie in die Segel eingearbeitet werden. Bislang ist aber nichts davon bekannt, daß das Projekt auch verwirklicht wird.

Doch Wang ist nicht der einzige, der sich mit piezoelektrischen Nanodrähten beschäftigt.

Schon im November 2007 präsentiert auch ein Forscherteam der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) Nanodrähte, die in Reaktion auf Ultraschallvibrationen Gleichstrom produzierten.

Die Wissenschaftler der UIUC gehören zu den ersten, die hierfür Bariumtitanat verwenden. Sie weisen nach, daß es ausreicht, Vibrationen an einen einzelnen Nanodraht anzulegen, um bereits einen kleinen Energieoutput zu erzielen. Während sich bei der Nutzung von Bariumtitanat größere Spannungen als bei Zinkoxid generieren lassen, ist letzteres wiederum für biologische Systeme ungiftig und eignet sich daher besser für Implantate.

Zum Betrieb des UIUC-Nanogenerators können Ultraschall, mechanische Vibrationen oder die Strömung von Arterienblut genutzt werden. Pro Kubikzentimeter sollen bis zu 4 W generiert werden.

Das Konzept einer interessanten Umsetzung für ZnO-Nanodrähte bildet die Veos-Kugel des Designers Joe Brussel, die im Mai 2009 in den Blogs vorgestellt wird. Es handelt sich um einen Waschmittel-Dispenser mit Energie-Rückgewinnung, den man einfach mit dem Rest der Wäsche in die Waschmaschine packt.

Während der Waschzyklen wandelt ein inneres, frei schwingendes Geflecht aus Nanodrähten die mechanische Energie in Strom um. Die geerntete Elektrizität soll dann wieder in das Netz zurück gespeist werden. Es ist meines Erachtens allerdings äußerst fraglich, ob sich der Aufwand an dieser Stelle wirklich lohnt.

Im Februar 2010 stellt ein internationales Forschungsteam ab der University of California, Berkeley um Prof. Liwei Lin neuartige Faser-Nanogeneratoren vor, die eines Tages als Energiefänger in die Kleidung und Textilien gewebt werden könnten, um die normalen Körperbewegungen zu nutzen und mobile elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.

Da die Nanofasern aus organischen Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt sind, sind sie flexibel und relativ einfach und billig herzustellen. Außerdem sind sie weniger spröde als Nanogeneratoren aus anorganischen Halbleitermaterialien wie Zinkoxid oder Bariumtitanat und lassen sie auch leichter in signifikanten Mengen kultivieren.

Die winzigen Nanogeneratoren haben einen Durchmesser von 500 nm und damit etwa ein Zehntel der Breite normaler Textilfasern. Werden sie gezerrt oder gedrückt, erzeugen sie 5 – 30 mV und 0,5 – 3 nA. Auch nach dem Dehnen und Loslassen der Nanofasern über 100 Minuten lang bei einer Frequenz von 0,5 Hz wird keine merkliche Verschlechterung festgestellt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad beträgt 12,5 %, als Spitzenwert werden 21,8 % erreicht, die sich wahrscheinlich weiter erhöhen lassen. Je kleiner die Faser ist, desto besser die Energieeffizienz, wo die Grenze liegt, ist noch nicht bekannt.

Um die polymeren Nanogeneratoren zu schaffen und 50 µm auseinander in einem Gittermuster zu positionieren, verwendet das Team die neuartige Nahfeld-Elektrospinntechnik (near-field electrospinning), eine Technologie, die eine bessere Kontrolle der Platzierung der Nanofasern auf einer Oberfläche ermöglicht. Dadurch können die Forscher die Faser-Nanogeneratoren so ausrichten, daß sich die positiven und negativen Pole an entgegengesetzten Enden befinden, ähnlich den Polen einer Batterie. Ohne diese Kontrolle könnten sich die negativen und positiven Pole gegenseitig aufheben und eine Verringerung der Energieeffizienz bewirken. Zudem lassen sich mit diesem Verfahren Nanogeneratoren auf alle Arten von Oberflächen drucken, einschließlich Textilien.

Koreanische Forscher um Sang-Woo Kim von der Sungkyunkwan University und Jae-Young Choi vom Samsung Advanced Institute of Technology berichten im Mai 2010 über ihre Entwicklung eines hauchdünnen Films aus Nanogeneratoren, der Touch-Screens zu Energiequellen machen soll. Der Film besteht aus biegsamen, transparenten Elektroden und einem energiesammelnden Material.

Bei ihrem Demonstrationsobjekt verwenden die Wissenschaftler zahllose piezoelektrische Nanostäbchen, die zwischen zwei äußerst leitfähigen Elektrodenschichten aus Graphen liegen.

Das Piezo-Energie-Sandwich wird hergestellt, auf einem nickelbeschichteten Silizium-Untergrund mittels chemischer Dampfablagerung Graphen aufwachsen gelassen wird. Nach einem Ätzverfahren, um die Graphenschicht vom Silizium abzulösen, wird eine Plastikfolie darüber gerollt, an der das Graphen haftet. Anschließen wird die Graphen-Folie in ein chemisches Bad mit einer Zinkverbindung getaucht und auf 95°C erhitzt, wbei sich auf dem Graphen winzige, parallel ausgerichtete Stäbchen aus Zinkoxid ablagern. Zum Abschluß wird eine weitere Graphenfolie darübergelegt.

Pro Quadratzentimeter erzeugt die Generatorschicht eine Leistung von 20 nW. In größeren Prototypen von 200 cm² Fläche kann sogar eine Leistung von 1 µW pro Quadratzentimeter erreicht werden. Die Forscher betonten zudem, daß das Verfahren zur Herstellung der Nanogeneratoren auch auf große Produktionsanlagen übertragbar sei, so lasse sich der Film beispielsweise kostengünstig im Rotationsdruck aufbringen. Bis ein marktfähiges Produkt entstehe, seien aber noch mindestens fünf Jahre Entwicklung nötig.

Bereits im August 2010 ist zu erfahren, daß das koreanisches Forscherteam, in dem zwischenzeitlich auch Young Jun Park vom Samsung Advanced Institute of Technology mitarbeitet, dabei ist ein schallbetriebenes Handy zu entwickeln, für welches ein Feld aus ZnO-Nanodrähten geschaffen wird, das ebenfalls zwischen zwei Elektroden eingebettet ist (s.d.).

Ebenfalls im August 2010 melden die Forscher Florian Mumm und Pawel Sikorski von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim, daß sie davon ausgehen, in der schillernden Seemaus (Aphrodita aculeata), die zu den vielborstigen Ringelwürmer zählt, den Schlüssel zu einer neuen Art und Weise gefunden zu haben, 100 mal längere Nanodrähte zu produzieren, als was die bestehenden Methoden ermöglichen – und dies für einen Bruchteil des Preises.

Nanodrähte sind die Grundlage einiger farbstoffsensibilisierten Solarzellen auf Basis von Zinkoxid, sowie von piezo- und thermoelektrischen Energy-Harvesting-Materialien. In der Natur ist die Herstellung komplexer 3D-Baugruppen auf der Nanometerskala allgemein verbreitet, da genau gesteuerte Nanostrukturen für alle lebenden Organismen essentiell sind.

In ihrem Projekt nutzen dies Mumm und Sikorski, indem sie die natürlich erzeugten Nanokanal-Gitter als Vorlagen verwenden, um Nanoröhrchen und Nanodrähte herzustellen. Diese Nanokanalstrukturen sind Teil der in allen Regenbogenfarben schillernden Borsten der Seemaus. In Folge ihres Wachstumsprozesses sind die Borsten durch lange Kanäle durchdrungen, wobei das Tier zwei Arten von Borsten (Seta bzw. Setae) entwickelt: Haare mit einem Durchmesser von etwa 10 µm und Dorne mit einem Durchmesser von bis zu 500 µm, die beide aus einem Chitin/Protein-Verbundmaterial bestehen.

Es zeigt sich, daß sich die Hohlkanäle tatsächlich als Formen nutzen lassen, wobei die Nanofabrikations-Schablonen durch Einbetten modifizierter Seemaus-Stacheln in ein Polymer (Polydimethylsiloxan) und Epoxid gebildet werden, so daß sich die geöffneten Nanokanäle durch das Polymer erstrecken.

Und während herkömmliche Nanodrähte teuer in der Herstellung sind und spezialisierte Einrichtungen benötigen, besteht der wesentlich einfachere Ansatz der norwegischen Wissenschaftler daraus, Setae toter Seemäuse zu nehmen, an einem Ende eine geladene Goldelektrode anzulegen und dann vom anderen Ende Kupfer oder Nickel-Ionen in die Hohlkanäle zu feuern. Diese werden von der Ladungsplatte angezogen, füllen das Röhrchen und wachsen zu Nanodrähten heran. Im Gegensatz zu den höchstens 0,2 mm Länge, die in der Regel bei Nanodrähten erreicht werden, gelingt es nun, bis 2 cm lange Drähte wachsen zu lassen.

Im April 2011 berichten die Fachblogs über ein aus Hannah Clevenson, Olivia Lenz und Tanya Miracle bestehenden Studententeam, das im Rahmen des Student Flight Opportunities Program am Johnson Space Center der NASA in Houston an einen Raumanzug arbeiten, der die Energie der Astronauten nutzt, um seine Elektronik zu betreiben.

Das Programm bietet Teams von Studenten die Möglichkeit, Experimente vorzuschlagen, zu konzipieren, herzustellen und auf einem speziellen Flugzeug bei reduzierter Schwerkraft (Mikrogravitation) zu testen. Der Flieger macht parabolisch Bögen – eine Reihe von steilen Anstiegen, denen ebenso steile Sinkflüge folgen –, die kurze Phasen reduzierter Schwerkraft zur Folge haben.

Im Experiment untersucht das Teams die Eigenschaften von ZnO-Nanodrähten, die in Schwerelosigkeit erzeugt worden sind, und vergleicht die Ergebnisse mit den Eigenschaften von im Labor hergestellten Nanodrähten, wobei sich die Studenten insbesondere für die Auswirkungen der reduzierten Schwerkraft auf die Morphologie der Proben interessieren. Bislang sei nur wenig Forschung auf dem Gebiet des Nanodrahtwachstums in Schwerelosigkeit geschehen. Dabei ist es denkbar, daß hier längere und geradere Nanodrähte, sowie größere Mengen davon erzeugt werden könnten.

Weitere Neuigkeiten über den Einsatz von Zinkoxid für winzige Energie-Harvester gibt es im Januar 2015, als eine Gruppe von Forschern des Korea Advanced Institute of Science inspiriert und Technologie (KAIST) um Prof. Giwan Yoon über ihre Entdeckung berichten, daß das Einfügen isolierender Schichten aus Aluminiumnitrid (AlN) in piezoelektrische ZnO-Nanostäbchen- oder Nanodraht-Arrays zu einer signifikanten Verbesserung der Leistungsfähigkeit führt, unabhängig von Schichtdicke und/oder Schichtposition in den Geräten.

Die Leistung der Ausgangsspannung und Polarität scheinen aber von der relativen Position und der Dicke der  gestapelten ZnO/AlN-Schichten abhängen, was aber noch weiter untersucht werden muß.

 

Weiter mit dem Piezomagnetismus, mit Regentropfen und Stoßdämpfern...