Un gruppo di ricercatori dell'Università del Texas a Dallas e i loro colleghi hanno apportato miglioramenti significativi ai filati per la raccolta di energia che hanno inventato chiamati twistron, che sono realizzati con nanotubi di carbonio e producono elettricità quando vengono allungati ripetutamente.

I ricercatori descrivono i twistron migliorati e alcune potenziali applicazioni della tecnologia in un articolo pubblicato nel numero cartaceo del 7 luglio di Materiali avanzati .

In un esperimento di prova di principio, Zhong Wang, Ph.D., autore principale dell'articolo e ricercatore associato presso l'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute dell'UT Dallas, ha cucito i nuovi filati twistron in un guanto. Quando qualcuno che indossava il guanto formava lettere e frasi diverse nella lingua dei segni americana, i gesti delle mani generavano elettricità.

"Sulla base dei profili di tensione di uscita, possiamo facilmente differenziare il movimento del dito di diverse lettere e frasi e possiamo potenzialmente utilizzare questo guanto come traduttore di lingua dei segni autoalimentato", ha affermato Wang, la cui ricerca di dottorato presso l'UTD si è concentrata sui nanotubi di carbonio filati e raccoglitori di energia. Per questo lavoro ha vinto il premio per la migliore tesi alla Scuola di Scienze Naturali e Matematica nel 2022.

Guidato dal Dr. Ray Baughman, direttore del NanoTech Institute e dalla Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry, il gruppo di ricerca ha riportato per la prima volta la loro tecnologia twistron sulla rivista Science nel 2017. Da allora, il team ha perfezionato i processi utilizzati per realizzare i filati, ottenendo fibre più efficienti e che producono più elettricità per ciclo di filatura rispetto alla versione precedente.

"La raccolta di energia è un'area di fondamentale importanza, soprattutto perché cerchiamo alternative alla combustione di combustibili fossili. Vorremmo raccogliere energia da ogni fonte disponibile", ha affermato Baughman, l'autore corrispondente dell'ultimo articolo.

Alcune delle potenziali applicazioni dei twistron includono la raccolta di energia dalle onde oceaniche per alimentare i sensori o eventualmente per aiutare le città ad alimentare, ha affermato, oltre all'utilizzo dei movimenti del corpo per alimentare i dispositivi indossabili.

"Se hai un robot umanoide e vuoi sapere quali muscoli si sono contratti e se funzionano correttamente, potresti incorporare fibre molto fini delle nostre raccoglitrici twistron in modo che quando il muscolo cambia dimensione, allunghi il twistron, che genera elettricità ", ha detto Baughman. "Quella elettricità può essere misurata, che può dirti quanto quel muscolo ha cambiato dimensione."

I twistron sono costruiti con nanotubi di carbonio, che sono cilindri cavi di carbonio 10.000 volte più piccoli di diametro di un capello umano. I nanotubi sono filati a torsione in filati leggeri e ad alta resistenza. Per rendere i fili altamente elastici, i ricercatori introducono così tanta torsione che i fili si avvolgono come un elastico intrecciato.

I Materiali avanzati l'articolo descrive come Wang e i suoi colleghi hanno migliorato le prestazioni dei twistron incorporando diverse innovazioni nel processo di fabbricazione.

"Il meccanismo di base di questi twistron è che quando li allunghi, i fasci di singoli nanotubi di carbonio entrano in contatto l'uno con l'altro, aumentando la densità degli elettroni nel materiale, il che aumenta la tensione in uscita", ha detto Wang. "Sulla base di questa comprensione, abbiamo scoperto che l'ottimizzazione dell'allineamento dei nanotubi, la quantità di superficie su cui interagiscono, può aumentare notevolmente la variazione di capacità e aumentare notevolmente la tensione di uscita."

I ricercatori hanno anche incorporato il grafene nel processo di produzione. Il grafene è un foglio di carbonio 2D spesso un atomo.

"Iniziamo estraendo un foglio di nanotubi di carbonio da una serie di nanotubi allineati verticalmente, chiamata foresta", ha detto Wang. "In questi nuovi esperimenti, abbiamo aggiunto un passaggio:abbiamo depositato il grafene su quel foglio e poi l'abbiamo attorcigliato e arrotolato tutto insieme in filati. Ciò ha notevolmente migliorato la variazione di capacità e la quantità di elettricità che possiamo raccogliere dai twistron risultanti".

Un processo di ricottura migliorato ha anche contribuito a migliorare la produzione dei twistron, ha affermato Wang.

L'allungamento dei nuovi fili twistron a spirale 30 volte al secondo (30 hertz) ha generato 3,19 kilowatt per chilogrammo di potenza elettrica di picco, un aumento di dodici volte rispetto ai valori più alti riportati da altri ricercatori per raccoglitori di energia meccanica alternativa per frequenze comprese tra 0,1 hertz e 600 hertz.

La massima efficienza di conversione dell'energia ottenuta con l'ultima versione twistron è stata 7,2 volte quella dei twistron precedenti, ha affermato Baughman. I ricercatori hanno chiesto un brevetto sulla tecnologia. + Esplora ulteriormente

Nessuna batteria richiesta:i filati per la raccolta di energia generano elettricità