Sensor gera sua própria energia usando tunelamento quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/11/2020

O "empurrão" inicial do próprio sensor faz os elétrons tunelarem - e elétrons em movimento são corrente elétrica.
[Imagem: Chakrabartty Lab/Washington University]

Autogeração de energia

Edifícios inteligentes, eletrônica de vestir, monitoramento ambiental, internet das coisas, são todas tecnologias fortemente baseadas em sensores.

E, para serem eficientes e práticos, esses sensores devem ser minúsculos e gastarem o mínimo de energia.

É por isso que está chamando tanto a atenção o trabalho de um trio de pesquisadores da Universidade de Washington, nos EUA.

Eles construíram sensores que geram sua própria energia tirando proveito de um fenômeno quântico chamado tunelamento - os sensores podem funcionar mais de um ano sem precisar de nenhuma manutenção ou troca de bateria.

A equipe conseguiu isto inspirando-se no chamado "efeito de limiar".

"Imagine que há uma maçã pendurada em uma árvore. Você pode sacudir a árvore um pouco, mas a maçã não cai. Você tem que dar um empurrão suficiente para sacudir a maçã," compara o pesquisador Shantanu Chakrabartty. "Esse empurrão é semelhante a uma energia de limiar: É a quantidade mínima de energia necessária para mover um elétron sobre uma barreira."

Se os elétrons estão parados, não há corrente. Mas se você lhes dá a energia mínima para superar uma barreira, eles fazem isso comportando-se como ondas, e literalmente "vazam" pela barreira, surgindo do outro lado - eles tunelam; e, com os elétrons em movimento, você tem uma corrente elétrica.

A equipe aproveitou esse fenômeno do tunelamento quântico para construir um dispositivo com autoalimentação que só precisa do empurrão inicial - uma pequena entrada de energia - para continuar funcionando por conta própria.

Protótipo construído pela equipe.
[Imagem: Darshit Mehta et al. - 10.1038/s41467-020-19292-w]

Sensor autoalimentado

O dispositivo é simples e barato de construir. Tudo que ele requer são quatro capacitores e dois transistores.

Usando esses seis componentes, a equipe construiu dois sistemas dinâmicos, cada um com dois capacitores e um transístor. O primeiro funciona como sistema de referência, e o outro como sistema de sensoriamento. Este último recebe também uma bobina, que é acoplada à propriedade que se deseja medir.

Para dar a partida, os capacitores mantêm uma pequena carga inicial, com cerca de 50 milhões de elétrons cada. Para demonstração, a equipe mediu o micromovimento ambiente usando um acelerômetro piezoelétrico, um tipo de transdutor que transforma energia mecânica (como o movimento de moléculas no ar) em sinais elétricos. Esses sinais alteram o volume de elétrons que estão circulando pelo circuito, permitindo então medir o movimento comparando a quantidade de elétrons no sistema de sensoriamento e no sistema de referência.

Segundo a equipe, esses sensores são promissores para tudo, desde o monitoramento contínuo dos níveis de glicose dentro do corpo humano, até o possível registro da atividade neural sem o uso de baterias.

"No momento, a plataforma é genérica," disse Chakrabartty. "Ela depende apenas do que você acopla ao dispositivo. Contanto que você tenha um transdutor que possa gerar um sinal elétrico, ele pode autoalimentar nosso sensor registrador de dados."

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