Дослідники демонструють новий тип ниток з вуглецевих нанотрубок, які отримують механічну енергію

Дослідники нанотехнологій з Техаського університету в Далласі створили нові нитки з вуглецевих нанотрубок, які перетворять механічний рух на електрику більш ефективно, ніж інші енергозбірники на основі матеріалів.

У дослідженні, опублікованому 26 січня в журналі Nature Energy, вчені UT Dallas та їхні колеги описують удосконалення винайдених ними високотехнологічних ниток під назвою “твістрони”, які виробляють електрику під час розтягування або скручування. Їхня нова версія за своєю структурою нагадує традиційні вовняні або бавовняні нитки.

Твістрони, вшиті в текстиль, можуть відчувати і збирати енергію руху людини; при використанні в солоній воді твістрони можуть збирати енергію від руху океанських хвиль; і твістрони можуть навіть заряджати суперконденсатори.

Вперше описані дослідниками UTD у дослідженні, опублікованому 2017 року в журналі Science, твістрони побудовані з вуглецевих нанотрубок (ВНТ), що являють собою порожнисті циліндри з вуглецю діаметром у 10 000 разів меншим за людську волосину. Для виготовлення твістронів нанотрубки скручуються у високоміцні та легкі волокна, або нитки, в які також можуть бути включені електроліти.

Попередні версії твістронів були дуже еластичними, чого дослідники домоглися шляхом введення такої кількості крутіння, що нитки намотувалися, як перекручена гумова стрічка. Електрика виробляється в намотаних нитках шляхом їхнього багаторазового розтягування і відпускання, а також скручування і розкручування.

У новому дослідженні група дослідників не скручувала волокна до стану витків. Натомість вони переплели три окремі нитки волокон з вуглецевих нанотрубок, щоб отримати єдину пряжу, подібно до того, як будується звичайна пряжа, що використовується в текстилі, але з іншою круткою.

“Пряжа, що використовується в текстилі, зазвичай виготовляється з окремих ниток, скручених в одному напрямку, а потім скручених разом у протилежному напрямку для отримання кінцевої пряжі. Така гетерохіральна конструкція забезпечує стійкість до розкручування”, – каже доктор Рей Бауман, директор Інституту нанотехнологій імені Алана Г. МакДіарміда в UT Dallas і відповідний автор дослідження.

“На відміну від цього, наші найбільш високоефективні твістрони з вуглецевих нанотрубок із шаруватою структурою мають однакову спрямованість скручування і шарування – вони гомохіральні, а не гетерохіральні”, – сказав Бафман, завідувач кафедри хімії імені Роберта А. Велча у Школі природничих наук і математики.

В експериментах з намотаними нитками УНТ дослідники продемонстрували ефективність перетворення енергії в 17,4% для збору енергії під час розтягування і 22,4% для збору енергії під час скручування. Попередні версії намотаних твістронів досягали пікової ефективності перетворення енергії 7,6% як під час розтягування, так і під час крутіння.

“Ці твістрони мають вищу вихідну потужність на вагу комбайна в широкому діапазоні частот – від 2 Гц до 120 Гц, ніж раніше повідомлялося для будь-яких механічних комбайнів, які не мають твістронів і заснованих на матеріалах”, – сказав Бауман.

За словами Баумана, поліпшені характеристики багатошарових твістронів зумовлені бічним стисненням пряжі під час розтягування або скручування. Цей процес приводить шари в контакт один з одним, що впливає на електричні властивості пряжі.

“Наші матеріали роблять щось дуже незвичайне”, – сказав Бауман. “Коли ви розтягуєте їх, замість того, щоб стати менш щільними, вони стають більш щільними. Це ущільнення притискає вуглецеві нанотрубки одна до одної і покращує їхню здатність збирати енергію. У нас велика команда теоретиків і експериментаторів, які намагаються більш повно зрозуміти, чому ми отримуємо такі хороші результати”.

Дослідники виявили, що пряжа, яка складається з трьох шарів, забезпечує оптимальну продуктивність.

Команда провела кілька пробних експериментів з використанням тришарових твістронів. В одному з них вони імітували вироблення електрики з океанських хвиль, закріпивши тришаровий твістрон між повітряною кулею і дном акваріума, наповненого солоною водою. Вони також зібрали кілька листкових твістронів у масив вагою всього 3,2 міліграма і багаторазово розтягували їх, щоб зарядити суперконденсатор, енергії якого вистачило на живлення п’яти маленьких світлодіодів, цифрового годинника і цифрового датчика вологості/температури.

Команда також вшила нитки CNT у пластир із бавовняної тканини, який потім був обгорнутий навколо ліктя людини. Електричні сигнали генерувалися, коли людина неодноразово згинала лікоть, демонструючи потенційне використання волокон для визначення і збору інформації про рух людини.

Дослідники подали заявку на патент на цю технологію.

Коллектив сайта

(Пока оценок нет)

Loading...