Группа исследователей из Университета Техаса в Далласе и их коллеги внесли значительные улучшения в изобретённые ими нити для сбора энергии, называемые твистронами, которые сделаны из углеродных нанотрубок и производят электричество при многократном растяжении.

Исследователи описывают улучшенные твистроны и некоторые потенциальные применения технологии в статье, опубликованной в печатном выпуске Advanced Materials от 7 июля.

В экспериментальном эксперименте Чжун Ван, доктор философии, ведущий автор статьи и научный сотрудник Института нанотехнологий Алана Дж. МакДиармида в Техасском университете в Далласе, вшил новую твистронную пряжу в перчатку. Когда кто-то в перчатке образовывал разные буквы и фразы на американском языке жестов, жесты рук генерировали электричество.

«Основываясь на профилях выходного напряжения, мы можем легко отличить движение пальцев от различных букв и фраз, и мы потенциально можем использовать эту перчатку в качестве переводчика языка жестов с автономным питанием», — сказал Ван, чье докторское исследование в UTD было сосредоточено на углеродных нанотрубках. пряжа и сборщики энергии. За эту работу он получил награду за лучшую диссертацию в Школе естественных наук и математики в 2022 году.

Исследовательская группа, возглавляемая доктором Рэем Боугманом, директором Института нанотехнологий и почетным заведующим кафедрой химии Роберта А. Уэлча, впервые сообщила о своей твистронной технологии в журнале Science в 2017 году. С тех пор команда усовершенствовала процессы, которые они используют для производить пряжу, и в результате волокна стали более эффективными и производят больше электроэнергии за цикл растяжения, чем предыдущая версия.

«Сбор энергии является критически важной областью, особенно когда мы ищем альтернативы сжиганию ископаемого топлива. Мы хотели бы получать энергию из всех доступных источников», — сказал Боман, автор последней статьи.

По его словам, некоторые из потенциальных применений твистронов включают сбор энергии океанских волн для питания датчиков или, в конечном итоге, для питания городов, а также использование движений тела для питания носимых устройств.

«Если у вас есть человекоподобный робот , и вы хотите знать, какие мышцы сократились и работают ли они правильно, вы можете использовать очень тонкие волокна наших твистронных комбайнов, чтобы, когда мышца меняет размеры, она растягивала твистрон, который вырабатывает электричество. «, — сказал Боуман. «Это электричество можно измерить, что может сказать вам, насколько эта мышца изменила размер».

Твистроны состоят из углеродных нанотрубок, которые представляют собой полые углеродные цилиндры, диаметр которых в 10 000 раз меньше человеческого волоса. Нанотрубки скручиваются в высокопрочные и легкие нити. Чтобы сделать пряжу очень эластичной, исследователи вводят такое количество крутки, что пряжа скручивается, как перекрученная резиновая лента.

В статье Advanced Materials описывается, как Ван и его коллеги улучшили характеристики твистронов, внедрив несколько инноваций в процесс изготовления.

«Основной механизм этих твистронов заключается в том, что когда вы их растягиваете, пучки отдельных углеродных нанотрубок контактируют друг с другом, увеличивая плотность электронов в материале, что увеличивает выходное напряжение», — сказал Ван. «Основываясь на этом понимании, мы обнаружили, что оптимизация выравнивания нанотрубок — площади поверхности, на которой они взаимодействуют, — может значительно увеличить изменение емкости и резко увеличить выходное напряжение».

Исследователи также включили графен в производственный процесс. Графен представляет собой двухмерный лист углерода толщиной в один атом.

«Мы начинаем с того, что вытягиваем лист углеродных нанотрубок из вертикально выровненного массива нанотрубок, называемого лесом», — сказал Ван. «В этих новых экспериментах мы добавили шаг: мы нанесли графен на этот лист, а затем скрутили и смотали все это вместе в нити. Это значительно улучшило изменение емкости и количество электричества, которое мы можем получить от полученных твистронов».

По словам Вана, усовершенствованный процесс отжига также помог повысить производительность твистронов.

Растягивание новых скрученных нитей твистрона 30 раз в секунду (30 герц) генерировало 3,19 киловатта на килограмм пиковой электрической мощности, что в 12 раз превышает самые высокие значения, о которых сообщают другие исследователи для альтернативных сборщиков механической энергии для частот от 0,1 до 600 герц.

По словам Боумана, максимальная эффективность преобразования энергии, полученная с помощью последней версии твистрона, была в 7,2 раза выше, чем у предыдущих твистронов. Исследователи подали заявку на патент на технологию.