Voor de meeste mensen is statische elektriciteit een licht pijnlijke overlast. In de afgelopen jaren hebben ingenieurs echter gewerkt om dit schijnbaar willekeurige fenomeen te benutten om goedkoop en gemakkelijk kleine hoeveelheden elektriciteit te genereren.
De meeste statische elektriciteit is een product van het 'triboelektrische effect', wat gebeurt wanneer twee materialen met elkaar in contact komen en er elektronen tussen worden verhandeld. Wanneer de materialen uit elkaar worden getrokken, is er meestal een onbalans van elektronen die overblijft, waarbij sommige atomen van de materialen extra elektronen winnen dan anderen.
Deze onbalans creëert een elektrische lading op de materialen, en de atomen van de materialen willen terugkeren naar neutrale lading betekent dat elektriciteit is geboren. De schok die je krijgt wanneer je een deurknop aanraakt nadat je over een pluche tapijt bent gelopen, is dat de atomen van je lichaam de extra elektronen ontladen die ze van het tapijt hebben verzameld, zodat ze kunnen terugkeren naar neutrale lading.
Tribo-elektriciteit is onvoorspelbaar, maar ingenieurs hebben de afgelopen jaren innovatieve manieren ontwikkeld om het potentieel ervan te benutten, variërend van elektroden in autobanden tot houten planken die statisch zijn wanneer erop wordt gestapt. Een van de pioniers op dit gebied is Zhong Lin Wang, Georgia Institute of Technology-ingenieur, die tribo-elektrische generatoren heeft gemaakt van een breed scala aan materialen, waaronder ultradunne polymeren die kunnen dienen als touchscreens, stoffen en zelfs gerecyclede frisdrankflessen.
"Je kunt bijna elk materiaal hiervoor gebruiken", zegt Wang. Voor zijn nieuwste tribo-elektrische creatie reikte Wang naar een materiaal dat maar weinigen zouden associëren met elektriciteit - papier. Als kind zegt Wang dat hij speelde met ingewikkelde creaties gemaakt van knip- en vouwpapier. Deze Oost-Aziatische kunst, die duizenden jaren oud is, wordt "kirigami" genoemd, wat zich vertaalt naar "gesneden papier" (het is nauw verwant aan de bekendere "origami", wat vouwpapier betekent).
"Het is waarschijnlijk het goedkoopste materiaal [mogelijk]", zegt Wang, waarom hij papier koos, "en het is een biologisch afbreekbaar en veilig materiaal dat we elke dag gebruiken."
Wang en zijn team sneden schuurpapier in rechthoeken met lasers en bedekten ze in dunne lagen goud en andere geleidende materialen. Daarna assembleerden ze de rechthoeken in driedimensionale ruitvormen. Deze rhombi, die in de palm van je hand passen en kunnen worden opgevouwen om in een portemonnee of zak te worden opgeslagen, genereren elektriciteit wanneer een persoon er met hun vingers op drukt. Dit brengt de geleidende lagen met elkaar in contact, waardoor de onbalans van elektronen wordt opgebouwd die een statische lading veroorzaakt. Een paar minuten herhaaldelijk op het papieren apparaat knijpen kan ongeveer 1 volt energie produceren, wat voldoende is om een horloge of een draadloze afstandsbediening of zelfs een klein medisch apparaat gedurende een paar minuten in geval van nood op te laden, zegt Wang.
Wang's gebruik van een gesneden roosterstructuur in de ruit was een "slimme aanpak voor het vergroten van het oppervlak voor tribo-elektrische generatie", zegt ingenieur Max Shtein van de Universiteit van Michigan, die kirigami heeft gebruikt om driedimensionale zonnepanelen te maken die meer licht kunnen opvangen als de zon beweegt in de lucht. Elektrotechnisch ingenieur John Kymissis van de Columbia University, die net als Shtein niet bij dit onderzoek betrokken was, had ook lof voor Wang's 'slimme ontwerp voor een geïntegreerde structuur voor het genereren en opslaan van energie'.
Wang, die patent heeft op dit apparaat, hoopt dat het binnen een paar jaar zal worden ontwikkeld om mogelijk te worden verkocht als een goedkope wegwerplader of, nog belangrijker, als een hulpmiddel om kinderen te leren hoe elektriciteit werkt.
"Ze kunnen stroom genereren en lichten verlichten", zegt Wang over het potentieel. "Al deze goede dingen die ze kunnen doen met een eenvoudige structuur."
De papierlader wordt beschreven in een recent nummer van het tijdschrift ACS Nano.
