Новые волокна из углеродных нанотрубок, способные эффективно преобразовывать энергию движения

Исследователи из Техасского университета в Далласе разработали новые провода из углеродных нанотрубок, которые могут преобразовывать механическое движение в электричество с беспрецедентной эффективностью! Эти провода, называемые твистронами, имеют эффективность преобразования энергии 17,4% при растяжении и 22,4% при скручивании.

Впервые твистроны были описаны в 2017 году группой исследователей из UT Dallas. Их разработка была мотивирована развитием электроники и носимых устройств: провода, способные собирать энергию движения, представлялись идеальным решением для питания без батарей и малой занимаемой площади. Поэтому они разработали коллекторы энергии из проводов из углеродных нанотрубок – в 10 000 раз меньших по диаметру, чем человеческий волос, — которые могут получать электрическую энергию от скручивающих и тянущих движений.

Для создания таких “твистронов” нанотрубки скручиваются в легкие, высокопрочные волокна, в которые могут быть встроены электролиты. Как и любое другое волокно, они могут быть включены в текстиль, чтобы чувствовать движение человека. Их можно использовать даже в океане для сбора энергии от движения волн! Для выработки электричества нити должны быть покрыты ионопроводящим материалом, или электролитом. Когда провод скручен или растянут, его объем уменьшается, приближая электрические заряды к проводу; это увеличивает напряжение, связанное с зарядом, хранящимся в проводе.

Новый метод намотки

В своей предыдущей работе исследователи смогли генерировать пиковую электрическую мощность в 250 ватт на килограмм, растягивая твистроны 30 раз в секунду. Разработанные ими твистроны обладали высокой эластичностью; для этого исследователи ввели такое количество витков, что провода стали похожи на чрезмерно скрученную резинку.

В новом исследовании та же команда показывает, как им удалось значительно повысить эффективность своих твистронов: вместо того, чтобы наматывать волокно из углеродных нанотрубок вокруг себя, исследователи переплетают три отдельные нити, чтобы сделать одну нить – способом, почти аналогичным тому, который используется для изготовления шерстяных или хлопковых нитей в текстильной промышленности.

“Крученая пряжа, используемая в текстиле, обычно состоит из отдельных нитей, которые скручены в одном направлении, а затем скручены вместе в противоположном направлении для формирования конечной пряжи. Такая гетерохиральная конструкция обеспечивает устойчивость к раскручиванию“, — объясняет доктор Рэй Бауман, директор Института нанотехнологий имени Алана Г. Макдиармида в UT Dallas и автор-корреспондент исследования. Однако в данном случае исследователи выбрали “гомохиральную” структуру: три нити скручены, а затем закручены в одном направлении.

Таким образом “оплетенные” между 2 и 120 Гц, эти новые провода показывают более высокую пиковую гравиметрическую мощность и среднюю мощность, чем любой другой механический коллектор энергии на основе материала, сообщает команда.

В три раза более высокая эффективность преобразования энергии

Исследователи провели несколько экспериментов, чтобы оценить эффективность своих трехцепочечных твистронов. Сначала они прикрепили один из своих твистронов между воздушным шаром и дном аквариума, наполненного соленой водой, чтобы имитировать выработку электроэнергии из океанских волн.

Они также использовали несколько твистронов для формирования массива весом всего 3,2 миллиграмма и многократно растягивали их для зарядки суперконденсатора, энергии которого хватило на питание пяти маленьких светодиодов, цифровых часов и цифрового датчика влажности и температуры.

Наконец, команда также внедрила твистроны в хлопчатобумажный пластырь, который затем поместили на локоть человека: при многократном сгибании локтя генерировались электрические сигналы, что позволяет предположить, что эти высокотехнологичные провода могут быть использованы для использования энергии человеческого движения.

Если предыдущие версии твистронов имели максимальную эффективность преобразования энергии 7,6% как для тяги, так и для кручения, то новые твистроны работают гораздо лучше: команда сообщает об эффективности 17,4% для сбора энергии тяги и 22,4% для сбора энергии кручения.

Чем объясняется такая исключительная производительность? По словам Баумана, это происходит в основном за счет дополнительных механизмов сбора энергии в боковых деформациях при растяжении или скручивании проволоки. Приведение трех нитей в контакт друг с другом, по-видимому, влияет на электрические свойства провода. “Когда вы растягиваете их, вместо того, чтобы стать менее плотными, они становятся более плотными“. “Такое уплотнение сближает углеродные нанотрубки и способствует их способности улавливать энергию“, — говорит исследователь.

Трехниточная структура обеспечила наилучшие результаты, но команде еще предстоит выяснить причины, по которым эта конфигурация работает лучше всего. Тем временем они подали патентную заявку на эту технологию.