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Comparative Investigation of Piezoelectric Output in PVDF/ZnO-based Nanogenerators Fabricated via Spin Coating, Electrospinning, and Centrifugal Spinning

Este estudio demuestra que el hilado centrífugo es el método de fabricación superior para los nanogeneradores piezoeléctricos basados en PVDF/ZnO, produciendo el mayor contenido de fase β (89%) y la mayor salida eléctrica (6.9 V manual, 8.4 V máquina, 0.609 µW/cm² de densidad de potencia) en comparación con el electrohilado y el recubrimiento por rotación, ofreciendo así un potencial significativo para aplicaciones de recolección de energía autoalimentadas.

Autores originales: Md Jahirul Islam, Bonghwan Kim

Publicado 2026-09-08

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CC BY 4.0

Autores originales: Md Jahirul Islam, Bonghwan Kim

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El mundo se dirige hacia un futuro en el que nuestros dispositivos serán más pequeños, más inteligentes y estarán más integrados en el tejido de la vida cotidiana, desde la ropa que vestimos hasta los sensores que monitorean nuestra salud. Sin embargo, estas diminutas máquinas enfrentan un obstáculo persistente: necesitan energía. Las baterías tradicionales suelen ser demasiado voluminosas, requieren un reemplazo frecuente y generan desechos ambientales. Para resolver esto, los científicos están recurriendo al propio entorno, recolectando energía del viento, el calor corporal o el simple movimiento al caminar. Un método particularmente prometedor involucra materiales piezoeléctricos, que son sustancias que generan una carga eléctrica cuando se presionan o se estiran. Imagine un material que actúa como una pequeña batería cada vez que se presiona, convirtiendo el movimiento mecánico directamente en electricidad sin necesidad de ningún combustible externo. Entre estos materiales, un plástico llamado fluoruro de polivinilideno, o PVDF, destaca porque es flexible, duradero y seguro para su uso en el cuerpo humano. Sin embargo, en su estado natural, este plástico no es muy bueno generando electricidad. Para hacerlo útil, los investigadores deben persuadir su estructura molecular interna hacia una disposición específica que le permita funcionar eficientemente, a menudo mezclándolo con otros materiales como nanopartículas de óxido de zinc.

Un equipo de investigadores de la Universidad Católica de Daegu se propuso recientemente encontrar la mejor manera de fabricar estos filmes mejorados de recolección de energía. Se centraron en comparar tres métodos distintos para crear el material: recubrimiento por rotación (spin coating), electrohilado (electrospinning) y hilado centrífugo (centrifugal spinning). Si bien las tres técnicas tienen como objetivo mezclar el plástico con las nanopartículas de óxido de zinc, lo hacen de maneras muy diferentes. El recubrimiento por rotación es un método estándar donde un líquido se hace girar rápidamente sobre una superficie plana para crear una película delgada y suave. El electrohilado utiliza un campo eléctrico de alto voltaje para tirar del líquido hacia fibras increíblemente finas. El hilado centrífugo, la técnica más nueva, utiliza una rotación rápida para lanzar el líquido hacia afuera a través de pequeños orificios, creando fibras mediante fuerza mecánica pura en lugar de electricidad. Los investigadores querían saber qué proceso produciría el dispositivo más eficaz para capturar energía del movimiento.

El equipo creó muestras utilizando los tres métodos, mezclando cuidadosamente el plástico con una pequeña cantidad de polvo de óxido de zinc. Luego construyeron pequeños dispositivos, sándwichando el material entre electrodos metálicos, y probaron cuánta electricidad producía cada uno cuando se sometía a presión mecánica. Probaron los dispositivos de dos maneras: primero, presionándolos con la mano humana, y segundo, golpeándolos con una máquina que los impactaba en la superficie a un ritmo constante y rápido. Los resultados fueron claros y decisivos. Los dispositivos fabricados con el método de hilado centrífugo superaron consistentemente a los demás. Al ser golpeado por la máquina, el dispositivo hilado por centrifugación generó un voltaje pico de 8.4 voltios, un salto significativo comparado con los 2.3 voltios producidos por la versión recubierta por rotación. Incluso los dispositivos electrohilados, que funcionaron bien, se quedaron ligeramente por debajo de los resultados del hilado centrífugo, alcanzando los 8.3 voltios. La corriente, o el flujo de electricidad, siguió el mismo patrón, con el método centrífugo produciendo la salida eléctrica más fuerte en cada prueba.

Para entender por qué un método funcionó mejor que los otros, los investigadores examinaron de cerca la estructura de los materiales. Examinaron la disposición interna de las moléculas y la forma física de las fibras. Encontraron que el proceso de hilado centrífugo era excepcionalmente bueno para fomentar que las moléculas del plástico se alinearan en la disposición específica de generación de electricidad necesaria para que el dispositivo funcione. En las mejores muestras, casi el 89 por ciento del material estaba en esta forma activa, un porcentaje mucho más alto de lo logrado con los otros métodos. Las nanopartículas de óxido de zinc desempeñaron un papel crucial aquí; actuaron como semillas que ayudaron a que las moléculas de plástico se alinearan correctamente. Además, la estructura física de las fibras creadas por el hilado centrífugo era única. Mientras que las fibras electrohiladas eran muy delgadas, el método centrífugo produjo fibras ligeramente más gruesas, más uniformes y robustas. Esta combinación de alta alineación molecular y estructura física resistente permitió que el material convirtiera el estrés mecánico en energía eléctrica de manera más eficiente.

El estudio también confirmó que el óxido de zinc se distribuyó de manera exitosa y uniforme en todo el plástico en todas las muestras, asegurando que la mejora se debiera al proceso de fabricación y no solo a la presencia del aditivo. Al comparar la salida eléctrica, la estructura molecular y la forma física de las fibras, los investigadores conclieron que el hilado centrífugo es la técnica superior para crear estos recolectores de energía. Ofrece una forma de producir dispositivos de alto rendimiento que eventualmente podrían alimentar la electrónica portátil y los sensores sin la necesidad de baterías convencionales. Los hallazgos sugieren que, al utilizar el método de fabricación adecuado, es posible maximizar el potencial de materiales simples y flexibles para resolver la creciente necesidad de energía sostenible y autoalimentada en nuestro mundo cada vez más conectado.

Resumen Técnico: Investigación Comparativa de la Salida Piezoeléctrica en Nanogeneradores Basados en PVDF/ZnO

Planteamiento del Problema
La creciente demanda de dispositivos electrónicos compactos, portátiles y versátiles, particularmente dentro del Internet de las Cosas (IoT), la electrónica vestible (wearables) y los sectores biomédicos implantables, ha resaltado las limitaciones de las baterías convencionales, incluyendo vidas útiles cortas, altos costos de reemplazo y preocupaciones ambientales. Si bien los nanogeneradores piezoeléctricos (PENGs) ofrecen una solución viable para la recolección de energía ambiental al convertir la deformación mecánica en carga eléctrica, la optimización de su rendimiento sigue siendo un desafío. El fluoruro de polivinilideno (PVDF) es un material preferido debido a su flexibilidad y biocompatibilidad; sin embargo, típicamente cristaliza en una fase- $\alpha$ no polar bajo procesamiento estándar, careciendo de la actividad piezoeléctrica de la fase- $\beta$ electroactiva. Además, aunque las nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) son conocidas por promover la nucleación de la fase- $\beta$ y mejorar la respuesta piezoeléctrica, existe una falta de investigación comparativa exhaustiva que evalúe cómo diferentes técnicas de fabricación —específicamente el recubrimiento por centrifugación (spin coating), el electrohilado (electrospinning) y el hilado centrífugo (centrifugal spinning)— afectan el rendimiento estructural y eléctrico de los compuestos de PVDF/ZnO.

Metodología
El estudio fabricó nanogeneradores de PVDF y de PVDF/ZnO (0.5 % en peso de ZnO) utilizando tres métodos distintos:

Recubrimiento por centrifugación (Spin Coating): Una mezcla de solventes binarios (DMF/acetona, 6:4) que contenía 26 % en peso de PVDF se aplicó mediante recubrimiento por centrifugación sobre sustratos de vidrio a 700 rpm, seguido de un secado.
Electrohilado (Electrospinning): La solución compuesta fue electrohilada a 10.5 kV con una tasa de flujo de 1.5 mL/h sobre un colector de tambor rotatorio.
Hilado Centrífugo (Centrifugal Spinning): La solución fue expulsada a través de un hilado rotatorio (motor de 40 V) mediante fuerza centrífuga, depositando fibras en las paredes internas de un recipiente de recolección.

Todos los filmes fabricados se ensamblaron en nanogeneradores de estructura sándwich con electrodos de cinta de cobre y encapsulación de poliimida. Los dispositivos fueron sometidos a dos modos de excitación mecánica: presión manual con la mano (aprox. 5 Hz) e impacto mecánico automatizado (20 Hz).

Contribuciones Clave y Resultados
La investigación proporciona una comparación sistemática de las propiedades estructurales, morfológicas y eléctricas de las tres técnicas de fabricación:

Salida Eléctrica: El hilado centrífugo produjo la mayor salida piezoeléctrica. Bajo impacto mecánico, el nanogenerador de PVDF/ZnO fabricado por hilado centrífugo alcanzó un voltaje pico a pico de 8.4 V y una corriente de cortocircuito de 3.50 $\mu$ A, resultando en una densidad de potencia máxima de 0.609 $\mu$ W/cm². Esto superó significativamente al electrohilado (8.3 V, 0.581 $\mu$ W/cm²) y al recubrimiento por centrifugación (3.5 V, 0.123 $\mu$ W/cm²). Incluso el PVDF puro fabricado mediante hilado centrífugo mostró un rendimiento superior (5.8 V) en comparación con el PVDF puro por recubrimiento por centrifugación (2.3 V).
Análisis Estructural (XRD y FTIR): La difracción de rayos X (XRD) confirmó la presencia de la fase- $\beta$ electroactiva (pico en 20.3°) y la estructura cristalina de ZnO (estructura wurtzita). La espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) reveló que el dopaje con ZnO aumentó la fracción de la fase- $\beta$ ( $F(\beta)$ ) en todos los métodos. El compuesto de PVDF/ZnO hilado centrífugamente exhibió el mayor contenido de fase- $\beta$ con un 89%, frente al 87% del electrohilado y el 65% del recubrimiento por centrifugación.
Análisis Morfológico: La microscopía electrónica de barrido (SEM) mostró que el recubrimiento por centrifugación produjo filmes microporosos y suaves. El electrohilado generó nanofibras uniformes y libres de defectos (bead-free) con diámetros promedio de 7.0–8.1 $\mu$ m. El hilado centrífugo produjo fibras con diámetros promedio más grandes (9.0–14.5 $\mu$ m) y una alineación más uniforme, lo cual los autores atribuyen a presiones de cizallamiento más altas y una rápida evaporación del solvente que favorece la extensión de las cadenas y la alineación de los dipolos.
Composición Elemental: La espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (EDS) confirmó la dispersión uniforme de las nanopartículas de ZnO dentro de la matriz de PVDF para todos los métodos de fabricación, sin detectar contaminación significativa.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo concluye que el hilado centrífugo es la técnica de fabricación superior para nanogeneradores basados en PVDF/ZnO de alto rendimiento. Los autores atribuyen este rendimiento a un efecto sinérgico: la fuerza centrífuga induce un alto esfuerzo de cizallamiento y una rápida evaporación del solvente, lo que, combinado con el efecto de nucleación de las nanopartículas de ZnO, maximiza la cristalinidad de la fase- $\beta$ (hasta un 89%) y crea morfologías de fibra ventajosas.

El estudio sostiene que el hilado centrífugo ofrece una alternativa competitiva o superior al método de electrohilado, el cual es más comúnmente estudiado, particularmente en términos de escalabilidad y tasas de producción. Los dispositivos resultantes demuestran un potencial significativo para aplicaciones de recolección de energía autoalimentada en electrónica vestible, sensores autónomos y sistemas de IoT. Los autores sugieren que el trabajo futuro debería centrarse en optimizar las concentraciones de carga de ZnO, implementar estructuras de dispositivos multicapa y evaluar la estabilidad a largo plazo bajo estrés mecánico cíclico.

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