Новая пряжа из углеродных нанотрубок собирает механическую энергию

Исследователи 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 и их коллеги описывают усовершенствования изобретенных ими высокотехнологичных нитей, называемых «твистронами», которые генерируют электричество при растяжении или скручивании. Их новая версия построена так же, как традиционная шерстяная или хлопчатобумажная пряжа.

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

Твистроны, впервые описанные исследователями UTD в исследовании, опубликованном в 2017 году в журнале Science, состоят 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 за счет такого сильного скручивания, что нити скручивались, как перекрученная резиновая лента. Электричество генерируется намотанными нитями путем многократного их растяжения и отпускания или путем их скручивания и раскручивания.

В новом исследовании исследовательская группа не скручивала волокна до точки скручивания. Вместо этого они переплели три отдельные нити волокон из углеродных нанотрубок, чтобы получить единую нить, аналогично тому, как конструируются обычные пряжи, используемые в текстиле, но с другим скручиванием.

«Крученая пряжа, используемая в текстиле, обычно состоит из отдельных прядей, которые скручены в одном направлении, а затем сложены вместе в противоположном направлении, чтобы получить конечную пряжу. Эта гетерохиральная конструкция обеспечивает устойчивость к раскручиванию», — сказал доктор Рэй Боуман, директор Института нанотехнологий Алана Г. МакДиармида в Калифорнийском университете в Далласе и автор исследования.

«Напротив, наши высокоэффективные твистроны со слоями углеродных нанотрубок имеют одинаковую скрутку и скручивание — они гомохиральны, а не гетерохиральны», — сказал Боуман, заслуженный руководитель кафедры химии Роберта А. Уэлча в Школе естественных наук. и математика.

В экспериментах с пряжей из крученых УНТ 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 пиковой эффективности преобразования энергии 7,6% как для сбора энергии растяжения, так и для скручивания.

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

«Наши материалы делают что-то очень необычное. Когда вы их растягиваете, они не становятся менее плотными, а становятся более плотными. Такое уплотнение сближает углеродные нанотрубки и способствует их способности собирать энергию».

Доктор Рэй Боуман, заслуженный профессор химии Роберта А. Уэлча в Школе естественных наук и математики

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, что влияет на электрические свойства пряжи.

«Наши материалы делают что-то очень необычное», — сказал Боуман. «Когда вы их растягиваете, они не становятся менее плотными, а становятся более плотными. Такое уплотнение сближает углеродные нанотрубки и способствует их способности собирать энергию. У нас есть большая команда теоретиков и экспериментаторов, пытающихся более полно понять, почему мы получаем такие хорошие результаты».