generación de energía triboeléctrica

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AVANCES EN MICROFLUÍDICA Y GENERACIÓN DE ENERGÍA
TRIBOELÉCTRICA.
Sofía Nava Coronel
Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro
20 de julio de 2021
Resumen
La microfluídica se ha convertido en una de las áreas más importantes para el desarrollo de
tecnología aplicada en la medicina y de generación de energía principalmente. Sin embargo, las
investigaciones recientes se han enfocado en obtener dispositivos microfluídicos para análisis
químicos in-situ, con tamaños a microescala, y energéticamente autosustentables a partir de los
nanogeneradores triboeléctricos (TENG, por sus siglas en inglés).
En el presente trabajo se describen las características y aplicaciones de los dispositivos
microfluídicos híbridos creados para el análisis de fluidos corporales.
Palabras clave: microfluídico, nanogenerador, efecto triboeléctrico, dieléctrico,
biosensor, biomolécula.
Una de las ciencias encargadas de estudiar dispositivos capaces de realizar análisis
electroquímicos en celdas de tamaño micrométrico, es la microfluídica, y se enfoca en la
reducción del uso de equipo especializado y de procesos de preparación de muestras. La
mayor ventaja de estos sistemas, es la rapidez con la que se obtienen resultados, además
de que, son portables, de bajo costo, no requieren de equipo o personal especializado, y
no se utilizan reactivos o tratamientos intermedios (Shariar, M.2019).
Debido a esto, una de las aplicaciones más novedosas de estos análisis es la
cuantificación de la concentración de biomoléculas presentes en los fluidos corporales
(como la sangre, lágrimas, sudor, entre otros), lo que permite el diagnóstico o monitoreo
de enfermedades. Es decir, cuando un ser vivo tiene una excelente salud se producen
ciertas concentraciones de algunas biomoléculas, que se encuentran en los fluidos, de tal
manera que cuando se presenta una enfermedad dichas concentraciones son irregulares o
se expresan mediante la producción de biomoléculas específicas.
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La mayoría de los dispositivos desarrollados utilizan baterías de iones de litio como una
fuente de energía para transmitir los resultados hacia alguna aplicación móvil, pero éstas
contienen materiales como el plomo, que son tóxicos tanto para la salud como para el
ambiente; es por ello, que se buscan alternativas de generación de energía eléctrica,
encontrando que los TENG son la mejor opción para utilizarse como sistema de
autoalimentación (Nie, J.2018).
Dispositivos microfluídicos híbridos
Los dispositivos microfluídicos aprovechan las propiedades de los materiales (módulo
elástico, transparencia, permeabilidad,entre otras) para obtener sistemas portables y
eficientes. Mientras que los TENG se basan en el efecto de electrificación por fricción e
inducción electrostática entre dos materiales distintos. Después del contacto entre dos
superficies dieléctricas se genera un enlace químico por adhesión, y las cargas eléctricas
se transfieren de un material a otro para mantener un equilibrio en el potencial
electroquímico. Los materiales que generan un efecto de este tipo son generalmente
aislantes o menos conductores; la superficie de estos materiales es lo que se denomina
como superficie dieléctrica, y es la zona donde se presenta dicho fenómeno eléctrico
(Dhakar, L.2017) .
Por lo tanto, un dispositivo híbrido consta de la implementación de ambos sistemas, uno
microfluídico y uno triboeléctrico en un único dispositivo. Qitao Zhou, et al.(2021)
desarrollaron un prototipo de un dispositivo híbrido en el que los microcanales del
sistema microfluídico están hechos a base de un material con propiedades dieléctricas y
la fricción ocasionada por el paso del fluído, con carga eléctrica específica según la
concentración de biomoléculas, genera un efecto triboeléctrico y se obtiene un voltaje de
salida. Al establecer una relación entre el voltaje de salida y la carga eléctrica del fluido
el sistema se utiliza como un biosensor de monitoreo, con potencial como biosensor de
diagnóstico de enfermedades.
Técnicas de Fabricación
Los procesos de fabricación de sistemas híbridos varían con respecto a la aplicación,
aunque en su mayoría involucran técnicas de fotolitografía para la obtención de la celda
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con un diseño específico de los microcanales. Existen algunas técnicas fisicoquímicas
que modifican la superficie del material, que se utilizan para mejorar sus propiedades
(Shariar, M.2019).
Técnicas de Caracterización
Una de las técnicas más utilizadas para observar la morfología de las superficies
triboeléctricas es la microscopía electrónica de barrido (SEM). Las características
químicas de las superficies se analizan mediante espectrometría infrarroja de
Transformada de Fourier (FTIR), mientras que para las pruebas de generación de energía
se utilizan electrómetros. En el caso de superficies funcionalizadas o modificadas se
utiliza la difracción de Rayos X (XRD) (Shariar, M.2019).
Aplicaciones
Debido a las propiedades que presentan los dispositivos híbridos, como su conductividad,
sensibilidad, selectividad, permeabilidad, transparencia, biocompatibilidad,
permeabilidad, escalabilidad, adhesión, flexibilidad, entre otras; estos sistemas son
utilizados como sensores biomédicos, electroquímicos, de presión y tensión, ópticos, para
detección de exposición ambiental, de tal manera que, tienen un campo extenso de
aplicaciones.
Referencias
Zhou, Qitao & Lee, Kyunghun & Deng, Shujun & Seo, Sangjin & Xia, Fan & Kim, Taesung. (2021)
Portable triboelectric microfluidic system for self-powered sensors towards in- situ detection.
Nano energy. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105980
Nie, Jinhui and Bai, Yu and Shao, Jiajia and Jiang, Tao, Xu, Liang and Chen, Xiangyu and Lin
Wang, Zhong. (2018) Long Distance Transport of Microdroplets and Precise Microfluidic
Patterning Based on Triboelectric Nanogenerator. Advanced Materials Technologies. 10,
1—10. https://doi.org/10.1002/admt.201800300
Shariar, M. and Phat Vo, Cong and Ahn, Kyoung Kwan. (2019) Self-powered Flexible PDMS
Channel Assisted Discrete Liquid Column Motion Based Triboelectric Nanogenerator
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105980
https://doi.org/10.1002/admt.201800300
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(DLC-TENG) as Mechanical Transducer. International Journal of Precision Engineering
and Manufacturing-Green Technology. https://doi.org/10.1007/s40684-019-00148-8
Dhakar, Lokesh.(2017) Triboelectric Devices for Power Generation and Self-Powered Sensing
Applications. Springer Theses
https://doi.org/10.1007/s40684-019-00148-8