Новые нити из углеродных нанотрубок, которые преобразуют механическое движение в электричество более эффективно, чем другие сборщики энергии на основе материалов, были разработаны в Техасском университете в Далласе.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Energy, ученые из UT Dallas описывают усовершенствования высокотехнологичных нитей, получивших название «твистроны», которые генерируют электричество при растяжении или скручивании.
Согласно UT Dallas, твистроны, вшитые в ткань, могут воспринимать и улавливать движения человека; при развертывании в соленой воде — твистроны получают энергию от движения океанских волн, твистроны могут заряжать даже суперконденсаторы.
Впервые описанные исследователями UTD в исследовании, опубликованном в журнале Science в 2017 году, твистроны сконструированы из углеродных нанотрубок, которые скручиваются в высокопрочные, легкие волокна или нити, в которые 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 проекте исследовательская группа переплела три отдельные нити скрученных углеродных нанотрубок, чтобы сделать единую пряжу, подобно тому, как конструируются обычные нити, используемые в текстиле.
«Сложенная пряжа, используемая в текстиле, обычно состоит из отдельных нитей, которые скручены в одном направлении, а затем сложены вместе в противоположном направлении, чтобы получить окончательную пряжу. Эта гетерохиральная конструкция обеспечивает устойчивость против раскручивания», — сказал доктор Рэй Боуман, директор Института нанотехнологий Алана Дж. МакДиармида в Техасском университете в Далласе, автор исследования.
«Напротив, наши высокопроизводительные твистроны из углеродных нанотрубок имеют одинаковую направленность скручивания — они гомохиральны, а не гетерохиральны», — рассказал Боуман.
В экспериментах со скрученными нитями исследователи продемонстрировали эффективность преобразования энергии 17,4% для сбора энергии растяжения и 22,4% для сбора энергии кручения. Предыдущие версии их спиральных твистронов достигли пиковой эффективности преобразования энергии 7,6% для сбора энергии растяжения и кручения.
По словам Боумана, 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 накапливать энергию. У нас есть большая команда теоретиков и экспериментаторов, пытающихся полнее понять, почему мы получаем 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 3,2 мг 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.
Команда подала заявку на патент, основанный на этой технологии.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com