Исследователи в области нанотехнологий из Техасского университета в Далласе создали новые нити из углеродных нанотрубок, которые преобразуют механическое движение в электричество более эффективно, чем другие сборщики энергии на основе материалов.

В исследовании, опубликованном 26 января в журнале Nature Energy , исследователи из Далласского университета штата Юта и их сотрудники описывают усовершенствования высокотехнологичной пряжи, которую они изобрели под названием «твистроны», которые генерируют электричество при растяжении или скручивании. Их новая версия очень похожа на традиционную шерстяную или хлопчатобумажную пряжу.

Твистроны, вшитые в ткань, могут ощущать и улавливать движения человека; при развертывании в соленой воде твистроны могут собирать энергию от движения океанских волн; а твистроны могут заряжать даже суперконденсаторы.

Впервые описанные исследователями UTD в исследовании, опубликованном в 2017 году в журнале Science , твистроны сконструированы из углеродных нанотрубок (УНТ), которые представляют собой полые цилиндры из углерода, диаметр которых в 10 000 раз меньше человеческого волоса. Чтобы сделать твистроны, нанотрубки скручивают в высокопрочные, легкие волокна или нити, в которые также могут быть включены электролиты.

Предыдущие версии твистронов были очень эластичными, чего исследователи добились, введя такую ​​большую крутку, что нити скручивались, как перекрученная резиновая лента. Электричество вырабатывается скрученными нитями путем их многократного растяжения и отпускания или скручивания и раскручивания.

В новом исследовании исследовательская группа не скручивала волокна до состояния скручивания. Вместо этого они переплели три отдельные нити скрученных углеродных нанотрубок , чтобы сделать единую пряжу, аналогичную тому, как устроена обычная пряжа, используемая в текстиле, но с другой круткой.

«Сложенные нити, используемые в текстиле, обычно изготавливаются из отдельных нитей, которые скручены в одном направлении, а затем скручиваются вместе в противоположном направлении, чтобы получить конечную пряжу. Эта гетерохиральная конструкция обеспечивает устойчивость к раскручиванию», — сказал доктор Рэй Боман, директор компании. Институт нанотехнологий Алана Г. МакДиармида в UT Dallas и соответствующий автор исследования.

«Напротив, наши высокопроизводительные твистроны из углеродных нанотрубок имеют одинаковую направленность скручивания и скручивания — они гомохиральны, а не гетерохиральны», — сказал Боуман, почетный заведующий кафедрой химии Роберта А. Уэлча в Школе естественных наук. и математика.

В экспериментах со скрученными нитями CNT исследователи продемонстрировали эффективность преобразования энергии 17,4% для сбора энергии растяжения (растяжения) и 22,4% для сбора энергии кручения (скручивания). Предыдущие версии их спиральных твистронов достигли максимальной эффективности преобразования энергии 7,6% как для сбора энергии растяжения, так и для сбора энергии кручения.

«Эти твистроны имеют более высокую выходную мощность на вес комбайна в широком диапазоне частот — от 2 Гц до 120 Гц — чем сообщалось ранее для любого не твистронного комбайна механической энергии на основе материала», — сказал Боуман.

Боуман сказал, что улучшенные характеристики скрученных твистронов являются результатом бокового сжатия пряжи при растяжении или скручивании. Этот процесс приводит слои в контакт друг с другом таким образом, что это влияет на электрические свойства пряжи.

«Наши материалы делают что-то очень необычное», — сказал Боуман. «Когда вы растягиваете их, вместо того, чтобы становиться менее плотными, они становятся более плотными. Это уплотнение сближает углеродные нанотрубки и способствует их способности собирать энергию. У нас есть большая группа теоретиков и экспериментаторов, пытающихся более полно понять, почему мы получить такие хорошие результаты».

Исследователи обнаружили, что создание пряжи из трех слоев обеспечивает оптимальную производительность.

Команда провела несколько экспериментов по проверке концепции с использованием трехслойных твистронов. В одной из демонстраций они смоделировали генерацию электричества из океанских волн , прикрепив трехслойный твистрон между воздушным шаром и дном аквариума, наполненного соленой водой. Они также собрали несколько многослойных твистронов в массив весом всего 3,2 миллиграмма и неоднократно растягивали их, чтобы зарядить суперконденсатор, у которого затем было достаточно энергии для питания пяти небольших светодиодов, цифровых часов и цифрового датчика влажности/температуры.

Команда также вшила пряжу CNT в лоскут хлопчатобумажной ткани, который затем обернули вокруг локтя человека. Электрические сигналы генерировались, когда человек неоднократно сгибал локоть, демонстрируя потенциальное использование волокон для обнаружения и сбора данных о движении человека.

Исследователи подали заявку на патент, основанный на технологии.