Международная группа исследователей из Университета Техаса в Далласе (США) и их коллеги из КНР (Уханьского университета) и Южной Кореи (Университета Ханянг в Сеуле) внесли значительные улучшения в изобретённые ими нити-сборщики энергии (твистроны), которые сделаны из углеродных нанотрубок и производят электричество при многократном растяжении. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Исследовательская группа, возглавляемая доктором Рэем Боугманом, директором Института нанотехнологий при Университете Техаса в Далласе, впервые сообщила о своей твистронной технологии в 2017 году. С тех пор ученые усовершенствовали процессы, которые они используют для создания своих нитей-сборщиков энергии, и в результате волокна стали производить больше электроэнергии за цикл растяжения, чем предыдущие версии.
«Сбор энергии от устойчивых возобновляемых источников является критически важной областью, особенно когда мы ищем альтернативы сжиганию ископаемого топлива. Мы хотели бы получать энергию из всех доступных источников», – подчеркнул Боугман. По его мнению, потенциальные сферы применений твистронов включают сбор энергии океанских волн для питания датчиков или, в конечном итоге, для питания городов, а также использование движений тела для питания носимых устройств.
«Например, если создается человекоподобный робот, и требуется узнать, какие его мышцы задействуются и работают ли они правильно, можно использовать очень тонкие волокна твистронных структур, чтобы, когда мышца меняет размеры, она растягивала твистрон, который вырабатывает электричество и дает сигнал для соответствующих замеров», – пояснил Боугман.
Твистроны состоят из углеродных нанотрубок, которые представляют собой полые углеродные цилиндры, диаметр которых в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. Нанотрубки скручиваются в высокопрочные и легкие нити. Чтобы сделать такую пряжу эластичной, исследователи вводят нужное количество скруток.
Основной механизм работы твистронов заключается в том, что при их растяжении пучки отдельных углеродных нанотрубок контактируют друг с другом, увеличивая плотность электронов в материале, что увеличивает выходное напряжение.
«Основываясь на этом понимании, мы обнаружили, что оптимизация выравнивания нанотрубок, то есть площади поверхности, на которой они взаимодействуют, способна значительно увеличить изменение емкости и резко увеличить выходное напряжение», – отметил ведущий автор новой разработки Чжун Ван, научный сотрудник Института нанотехнологий в Техасском университете в Далласе.
Кроме того, исследователи включили в свой производственный процесс графен – двухмерный лист углерода толщиной в один атом. «Мы начинаем с того, что вытягиваем слой углеродных нанотрубок из вертикально выровненного массива. В новой разработке мы добавили важный шаг: нанесли на этот слой графен, а затем скрутили и смотали все это вместе в нити. Это значительно улучшило изменение емкости и количество электричества, которое мы можем получить от полученных твистронов», – пояснил Ван.
В итоговом эксперименте Ван вшил новую твистронную пряжу в перчатку. Когда кто-то в перчатке образовывал разные буквы и фразы на американском языке жестов, при этом движения рук генерировали электричество.
«Основываясь на профилях выходного напряжения, мы можем легко сопоставить движение пальцев со значениями различных букв и фраз, и мы потенциально можем использовать эту перчатку в качестве переводчика языка жестов с автономным питанием», – пояснил Ван. За эту свою разработку в 2022 году он получил награду как за лучшую диссертацию в Колледже естественных наук и математики.
По итогам тестирования растягивание новых скрученных нитей твистрона с частотой 30 раз в секунду (то есть 30 герц) генерировало 3,19 киловатта на килограмм пиковой электрической мощности, что в 12 раз превышает самые высокие значения, о которых сообщают другие исследователи для альтернативных сборщиков механической энергии для частот от 0,1 до 600 герц.
Таким образом, по оценке Боугмана, максимальная эффективность преобразования энергии, полученная с помощью последней версии твистрона, была в 7,2 раза выше, чем у предыдущих версий твистронов.