Исследователи демонстрируют новый тип нитей из углеродных нанотрубок, которые получают 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 энергосборники на основе материалов.

В исследовании, опубликованном 26 января в журнале Nature Energy, ученые UT Dallas и их коллеги описывают усовершенствование изобретенных ими высокотехнологичных нитей под названием «твистроны», которые вырабатывают электричество при растяжении или скручивании. Их новая версия по своей структуре напоминает традиционные шерстяные или хлопчатобумажные нити.

Твистроны, вшитые в текстиль, могут чувствовать и собирать энергию движения человека; при использовании в соленой воде твистроны могут собирать энергию от движения океанских волн; и твистроны могут даже заряжать суперконденсаторы.

Впервые описанные исследователями UTD в исследовании, опубликованном в 2017 году в журнале Science, твистроны построены из углеродных нанотрубок (УНТ), которые представляют собой полые цилиндры из углерода диаметром в 10 000 раз меньше человеческого волоса. Для изготовления твистронов нанотрубки скручиваются в высокопрочные и легкие волокна, или нити, в которые также могут быть включены электролиты.

Предыдущие версии твистронов были очень эластичными, чего исследователи добились путем введения такого количества кручения, что нити наматывались, как перекрученная резиновая лента. Электричество вырабатывается в намотанных нитях путем их многократного растяжения и отпускания, а также скручивания и раскручивания.

В новом исследовании группа исследователей не скручивала волокна до состояния витков. Вместо этого они переплели три отдельные нити волокон из углеродных нанотрубок, чтобы получить единую пряжу, подобно тому, как строится обычная пряжа, используемая в текстиле, но с другой круткой.

«Пряжа, используемая в текстиле, обычно изготавливается из отдельных нитей, скрученных в одном направлении, а затем скрученных вместе в противоположном направлении для получения конечной пряжи. Такая гетерохиральная конструкция обеспечивает устойчивость к раскручиванию», — говорит доктор Рэй Бауман, директор Института нанотехнологий имени Алана Г. Макдиармида в UT Dallas и соответствующий автор исследования.

«В отличие от этого, наши самые высокоэффективные твистроны из углеродных нанотрубок со слоистой структурой имеют одинаковую направленность скручивания и слоения — они гомохиральны, а не гетерохиральны», — сказал Бафман, заведующий кафедрой химии имени Роберта А. Уэлча в Школе естественных наук и математики.

В экспериментах с намотанными нитями УНТ исследователи продемонстрировали эффективность преобразования энергии в 17,4% для сбора энергии при растяжении и 22,4% для сбора энергии при кручении. Предыдущие версии намотанных твистронов достигали пиковой эффективности преобразования энергии 7,6% как при растяжении, так и при кручении.

«Эти твистроны имеют более высокую выходную мощность на вес комбайна в широком диапазоне частот — от 2 Гц до 120 Гц, чем ранее сообщалось для любых механических комбайнов, не имеющих твистронов и основанных на материалах», — сказал Бауман

По словам Баумана, улучшенные характеристики многослойных твистронов обусловлены боковым сжатием пряжи при растяжении или скручивании. Этот процесс приводит слои в контакт друг с другом, что влияет на электрические свойства пряжи.

«Наши материалы делают нечто очень необычное», — сказал Бауман. «Когда вы растягиваете их, вместо того, чтобы стать менее плотными, они становятся более плотными. Это уплотнение прижимает углеродные нанотрубки друг к другу и улучшает их способности собирать энергию. У нас большая команда теоретиков и экспериментаторов, которые пытаются более полно понять, почему мы получаем такие хорошие результаты».

Исследователи обнаружили, что пряжа, состоящая из трех слоев, обеспечивает оптимальную производительность.

Команда провела несколько пробных экспериментов с использованием трехслойных твистронов. В одном из них они имитировали выработку электричества из океанских волн, закрепив трехслойный твистрон между воздушным шаром и дном аквариума, наполненного соленой водой. Они также собрали несколько слоеных твистронов в массив весом всего 3,2 миллиграмма и многократно растягивали их, чтобы зарядить суперконденсатор, энергии которого хватило на питание пяти маленьких светодиодов, цифровых часов и цифрового датчика влажности/температуры.

Команда также вшила нити CNT в пластырь из хлопчатобумажной ткани, который затем был обернут вокруг локтя человека. Электрические сигналы генерировались, когда человек неоднократно сгибал локоть, демонстрируя потенциальное использование волокон для определения и сбора информации о движении человека.

Исследователи подали заявку на патент на эту технологию.

Коллектив сайта

(Пока оценок нет)

Загрузка...