Thermal drawing of fiber-based hybrid nanogenerators for integrated energy harvesting and sensing
Entegre enerji hasadı ve algılama için ısıl fiber çekme yöntemiyle üretilmiş fiber tabanlı melez nanojeneratörler
- Tez No: 1017604
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ORDU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Giyilebilir elektronikler son yıllarda hızla gelişmiş ve akıllı tekstiller aracılığıyla insan sağlığı ile fiziksel aktivitenin sürekli ve invazif olmayan şekilde izlenmesini mümkün kılmıştır. Bu tür sistemlerin pratik ve uzun süreli kullanımı için, esneklik ve konfora sahip olmaya devam ederken harici enerji kaynaklarına bağımlılığı ortadan kaldıracak sürdürülebilir güç çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Yürüme, koşma ve diğer insan hareketleri önemli bir çevresel mekanik enerji kaynağıdır ve bu enerjinin hasat edilmesi sürdürülebilir enerji üretimi açısından büyük potansiyel taşımaktadır. Nanojeneratörler, özellikle piezoelektrik ve triboelektrik etkiler aracılığıyla mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için umut vadeden bir platformdur. Ancak, bu mekanizmaların tek başına kullanımları genellikle sınırlı performans sunmaktadır. Bu nedenle, enerji üretimini artırmak için nanojeneratörleri melezleştirmek etkili olabilecek bir yaklaşımdır. Melez piezoelektrik-triboelektrik nanojeneratörler, düşük frekanslı insan hareketlerini kendi kendine çalışan algılama sistemleri için elektrik enerjisine verimli bir şekilde dönüştürerek etkili bir çözüm sunar. Bu çalışmada, piezoelektrik ve triboelektrik etkilerin tek bir fiber tabanlı platformda birleştirildiği melez bir nanojeneratör yapısı ele alınmıştır. Bu projede kullanılan termal çekme üretim tekniği; ölçeklenebilir ve kesintisiz fiber üretimine olanak tanır. Bu melez yapılı fiber; grafen nanoplatelet (GNP) ile güçlendirilmiş poli(viniliden florür) (PVDF) aktif katmanı, iletken polietilen (cPE) elektrotları ve polikarbonat (PC) ile PVDF katmanları arasında tasarlanmış bir iç hava boşluğunu entegre etmektedir. Bu yapı, tekstil uyumluluğunu korurken elektromekanik performansı önemli ölçüde artırmaktadır. Optimum olan, ağırlıkça %5 GNP yüklemesinde, cihaz saf PVDF bazlı fiberlere kıyasla açık devre voltajında %118 ve kısa devre akımında %151'lik artış göstererek, 21 µW azami güç çıkışı ve 266.27 mW/m² güç yoğunluğu sağlamaktadır. Geliştirilen PT-HNG yapısı, solunum, arteriyel nabız ve kas aktivitesi gibi fizyolojik sinyallerin kararlı ve kendi kendine çalışan şekilde izlenmesini mümkün kılmakta olup, yeni nesil akıllı tekstiller ve giyilebilir sağlık izleme sistemleri için güçlü bir potansiyel ortaya koymaktadır. Ek olarak, bu cihaz tekrarlanan mekanik yükler altında iyi bir mekanik dayanıklılık ve istikrarlı bir performans sergilemiş olup, uzun vadeli giyilebilir uygulamalar için ne kadar uygun olduğunu ortaya koymuştur. Ölçeklenebilir fiber mimarisi, tekstil sistemlerine ve gerçek hayattaki kendi kendine çalışan algılama platformlarına entegrasyon için pratik bir yol sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Wearable electronics have advanced rapidly in recent years and have been used for continuous, non-invasive monitoring of human health and activity through smart textiles. For practical and long-term use, such systems require sustainable power sources that eliminate reliance on external batteries while maintaining flexibility and comfort. Human motion, such as walking, jogging, and running, is a significant source of ambient mechanical energy, and harnessing it could provide a sustainable energy solution. Nanogenerators are a promising platform for converting this energy into electrical energy, particularly through piezoelectric and triboelectric effects. However, relying solely on these individual mechanisms is often insufficient for wearable electronics, making hybridization an effective approach for enhanced energy generation. Piezoelectric-triboelectric hybrid nanogenerators (PT-HNGs) offer an effective solution by efficiently converting low-frequency human motion into electrical energy for self-powered sensing. Here, we report a fiber-based platform that enables effective piezoelectric-triboelectric coupling within a single structure. The use of a thermal drawing fabrication technique allows scalable and continuous fiber production. The hybrid fiber integrates a graphene nanoplatelet (GNP)-reinforced poly(vinylidene fluoride) (PVDF) active layer, conductive polyethylene (cPE) polymer electrodes, and an engineered internal air gap between the polycarbonate (PC) and PVDF layers, which enhances electromechanical performance while maintaining textile compatibility. At an optimal GNP loading of 5 wt%, the device exhibits a 118% increase in open-circuit voltage and a 151% increase in short-circuit current compared to pristine PVDF fibers, delivering a peak power output of 21 µW and a power density of 266.27 mW m⁻². The PT-HNG enables stable, self-powered monitoring of physiological signals, including respiration, arterial pulse, and muscle activity, demonstrating its potential for next-generation smart textiles and wearable health monitoring. In addition, the device shows good mechanical durability and stable performance under repeated mechanical loading, highlighting its suitability for long-term wearable applications. The scalable fiber architecture further provides a practical pathway for integration into textile systems and real-world self-powered sensing platforms.
Benzer Tezler
- Thermal drawing of low-dimensional material-integrated triboelectric fibers for healthcare applications
Biyohareket algılama ve sağlık uygulamaları için düşük boyutlu malzemeler entegre triboelektrik fiberlerin termal çizimi
MD SAZID BIN SADEQUE
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve Teknolojisiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
Dr. MUSTAFA ORDU
- İletken polimer lifler geliştirmer için sıvı destekli yaklaşımlarla ısıl fiber çekme teknikleri
Liquid-assisted approaches in thermal fiber drawing techniques to develop conductive polymer fibers
AROOJ FATIMA
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. MUSTAFA ORDU
- Light scattering from core-shell nano-structures: Structural coloration
Işığın çift katmanlı nano yapılardan saçılımı: Yapısal renklenme
MUHAMMET HALİT DOLAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Bölümü
DOÇ. DR. MEHMET BAYINDIR
- Scalable fabrication of nanomaterial integrated polymer fibers as self-powered sensors
Kendinden güçlendiren sensörler olarak nano malzeme entegre polimer elyafların ölçeklenebilir imalatı
MD MEHDI HASAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
ASSIST. MEMBER ABDULLAH DEMİR
DOÇ. DR. MUSTAFA ORDU
- Improvement of polyethylene fibers wettability and mechanical properties through an environmentally sustainable spinning process
Sürdürülebilir çevreci bir üretim yaklaşımı ile polietilen elyafın ıslanabilirlik davranışı ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesi
AYBENİZ SEYHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
DOÇ. DR. HÜSEYİN AVCI