Pembangkit listrik dari benang nano

Seiring dengan perkembangan teknologi nano, kini beberapa grup riset yang concern mengembangkan teknologi nano sudah mampu membuat sebuah divais dari struktur nano untuk menghasilkan arus listrik, medan electromagnetic, bahkan mampu mengeluarkan radiasi dalam orde subatomic. Divais/alat berukuran nano yang mampu membangkitkan energi listrik disebut sebagai nanogenerator.
Riset tentang nanogenerator baru dilakukan oleh beberapa grup yang berkecimpung di dunia nano. Salah satunya adalah grup riset dari Georgia Institute of Technology, mereka sedang mengembangkan sebuah prototip nanogenerator yang menggunakan struktur benang nano (nanowire) untuk menghasilkan listrik ketika wire dalam ukuran nano tersebut bergetar. Nanowire pada prototype tersebut terbuat dari bahan ZnO (seng oksida), arus yang timbul dari nanowire tersebut adalah sebagai efek dari piezoelectric (timbulnya sifat listrik akibat perubahan energy mekanis dari material). Desain dari nanogenerator tersebut hingga saat ini masih menjadi objek riset dan masih berada dalam tahap pengembangan. Para ilmuwan memprediksikan bahwa nanogenarator akan diperkenalkan ke public kira-kira pada tahun 2010-2011.
Hingga saat ini mayoritas dari perangkat elektronik yang portable (contoh : jam tangan, etc), energinya masih sangat tergantung pada baterai. Saat ini para ilmuwan sedang mengembangkan dan mendemonstrasikan bagaimana sebuah perangkat elektronik mudah dan praktis dalam suplai energinya. Hal tersebut dapat direalisasikan dengan metode pengembangkan teknologi benang nano (nanowire) dari bahan murah (ZnO) yang dapat memproduksi energy mekanik yang cukup untuk dikonversikan menjadi energy listrik.

Bagaimana listrik dihasilkan dari nano wire

Prof Zhong Lin Wang dari Georgia Tech mengilustrasikan bahwa bila kita berjalan kaki, maka daya listrik yang dihasilkan kira-kira oleh tubuh kita adalah 67 watt, gerakan jari2 kita menghsilkan 0.1 watt, pernapasan kita 1 watt. Nah bila kita mampu mengkonversikan fraksi dari daya tersebut, maka tubuh kita mampu menjadi sumber energi untuk sebuah divais elektronik. Secara konseptual lanjut Prof Zhong Lin Wang, dia mampu mendemostrasikan konversi daya yang mungkin untuk sebuah divais mencapai 17-30 persen dari total daya yang dihasilkan oleh tubuh kita.
Hasil dari penelitian di grup riset Prof Zhong Lin Wang dapat mengkonfirmasi sebuah teori bahwa: ZnO nanowire akan menunjukkan efek piezoelektrik yang sangat baik, yaitu menghasilkan sifat listrik dari respon tekanan mekanik. Biasanya muatan negative dan positif dari ion Zinc dan Oksigen di dalam kristal ZnO nanowire saling meniadakan. Namun ketika wire secara kimiawi tumbuh di permukaan elektroda, wire tersebut membengkok akibat adanya vibrasi external dari tip yang berskala nano. Tip tersebut adalah tip dari atomic force microscopy (AFM) yang terbuat dari bahan silicon (Si) yang dilapisi oleh platina (Pt). Pembengkokan dari ZnO nanowire menyebabkan terjadinya dipol listrik di dalam sebuah nanowire.
Pada bagian yang mengalami kompresi bermuatan negatif sedangkan bagian yang terekpansi bermuatan positif. Hal itu disebabkan Zn²⁺ dan pole negatif akibat dari O^-2. Maka dengan adanya kontak metal semikonduktor mengakibatkan adanya rektifikasi Schotcky gap seperti pada jembatan semikonduktor tipe positif dan negative (p-n junction). Kontak antara tip AFM dengan kutub yang bermuatan positif disebut forward bias dan sebaliknya tip AFM dengan kutub negative disebut reverse bias.
Pada keadaan forward bias elektron akan mudah mengalir ke metal sebaliknya pada reverse bias elektron akan mengalami kesulitan. Fenomena itu dapat dilukiskan oleh grafik hubungan antara tegangan dan arus pada dioda, sedangkan mekanisme tranport-nya dapat diilustrasikan secara mudah dengan melihat diagram energi antara metal dan semikonduktor. Gambar 1(a) dan 1(b) adalah bentuk dari ZnO nanowire dan fenomena dihasilkannya arus listrik akibat kontak metal dan semikonduktor.

 

Gambar 1(a) Nanowire dari ZnO yang mengkonversi energy mekanik menjadi listrik, (b) listrik dihasilkan dari kontak metal (tip AFM) dan semikonduktor (ZnO nanowire)

Gambar 2. Sensor gula darah yang berada di bawah permukaan kulit manusia

Sungguh luar biasa perkembangan nanoteknoloi saat ini, tidak terbayangkan bila hal itu terwujud maka dalam kurun waktu 5 tahun lagi dimungkinkan kita dapat mengcharge ipod melalui sepatu/baju kita yang sudah difasilitasi dengan sumber listrik dari ZnO nanogenerator.

Prof Zhong Lin Wang menjelaskan pula bahwa, meskipun secara individual nanowire menghasilkan sebuah daya yang kecil, dengan banyaknya nanowire secara simultan akan menghasilkan jumlah daya yang besar. Beliau juga menjelaskan bahwa energi dari nanowire yang dikembangkan di laboratoriumnya disinyalir memiliki cukup energi untuk menjalankan implant medis berukuran kecil. Contoh dari implant tersebut adalah implant dari sensor gula darah di bawah permukaan kulit.
Reference
Zhong Lin Wang and Jinhui Song, VOL 312 SCIENCE