Nye energihøstere viser potentiale, der passer som hånd i handske

En gruppe forskere fra University of Texas i Dallas og deres kolleger har foretaget betydelige forbedringer af energi-høstende garn, de opfandt kaldet twistrons, som er lavet af kulstof nanorør og producerer elektricitet, når de strækkes gentagne gange.

Forskerne beskriver de forbedrede twistrons og nogle potentielle anvendelser af teknologien i en artikel offentliggjort i det trykte nummer af Advanced Materials den 7. juli .

I et proof-of-principle-eksperiment syede Zhong Wang, Ph.D., hovedforfatter af artiklen og en forskningsmedarbejder ved Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute ved UT Dallas, de nye twistron-garner til en handske. Da en person, der bar handsken, dannede forskellige bogstaver og sætninger på amerikansk tegnsprog, genererede håndbevægelserne elektricitet.

"Baseret på udgangsspændingsprofilerne kan vi nemt differentiere fingerbevægelsen af ​​forskellige bogstaver og sætninger, og vi kan potentielt bruge denne handske som en selvdrevet tegnsprogsoversætter," sagde Wang, hvis doktorgradsforskning ved UTD fokuserede på kulstof nanorør garn og energihøstere. Han vandt prisen for bedste afhandling på School of Natural Sciences and Mathematics i 2022 for dette arbejde.

Anført af Dr. Ray Baughman, direktør for NanoTech Institute og Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry, rapporterede forskningsgruppen først om deres twistron-teknologi i tidsskriftet Science i 2017. Siden da har teamet forfinet de processer, de bruger til at fremstille garnene, og det har resulteret i fibre, der er mere effektive, og som producerer mere elektricitet pr. strækcyklus end den tidligere version.

"Energihøst er et kritisk vigtigt område, især da vi leder efter alternativer til afbrænding af fossile brændstoffer. Vi vil gerne høste energi fra alle tilgængelige kilder," sagde Baughman, den tilsvarende forfatter til den seneste artikel.

Nogle af de potentielle anvendelser af twistrons inkluderer høst af energi fra havbølger til strømsensorer eller i sidste ende for at hjælpe byer, sagde han, såvel som at bruge kropsbevægelser til at drive bærbare enheder.

"Hvis du har en humanoid robot, og du vil vide, hvilke muskler der har trukket sig sammen, og om de fungerer korrekt, kan du inkorporere meget fine fibre fra vores twistron-høstere, så når musklen ændrer dimensioner, strækker den twistronen, hvilket genererer elektricitet " sagde Baughman. "Den elektricitet kan måles, hvilket kan fortælle dig, hvor meget den muskel har ændret dimension."

Twistrons er konstrueret af kulstof nanorør, som er hule cylindre af kulstof, der er 10.000 gange mindre i diameter end et menneskehår. Nanorørene er twist-spundet til højstyrke, letvægtsgarner. For at gøre garnene meget elastiske introducerer forskerne så meget snoning, at garnene ruller sig som et oversnoet gummibånd.

De Avancerede materialer artiklen beskriver, hvordan Wang og hans kolleger forbedrede twistrons ydeevne ved at inkorporere flere innovationer i fremstillingsprocessen.

"Den grundlæggende mekanisme for disse twistrons er, at når du strækker dem, kommer bundterne af individuelle kulstofnanorør i kontakt med hinanden, hvilket øger tætheden af ​​elektroner i materialet, hvilket øger spændingsoutputtet," sagde Wang. "Baseret på denne forståelse fandt vi ud af, at optimering af nanorørjusteringen - mængden af ​​overfladeareal, hvor de interagerer - kan dramatisk øge kapacitansændringen og dramatisk øge spændingsoutputtet."

Forskerne inkorporerede også grafen i fremstillingsprocessen. Grafen er et et-atom-tykt, 2D-ark af kulstof.

"Vi starter med at trække et ark af kulstof nanorør fra en lodret justeret række af nanorør, kaldet en skov," sagde Wang. "I disse nye eksperimenter tilføjede vi et trin:Vi deponerede grafen på det ark og snoede og snoede det hele sammen til garn. Dette forbedrede dramatisk kapacitansændringen og mængden af ​​elektricitet, vi kan høste fra de resulterende twistrons."

En forbedret udglødningsproces hjalp også med at øge outputtet af twistronerne, sagde Wang.

At strække de nye oprullede twistron-garner 30 gange i sekundet (30 hertz) genererede 3,19 kilowatt pr. kilogram maksimal elektrisk effekt, en tolv gange stigning i forhold til de højeste værdier rapporteret af andre forskere for alternative mekaniske energihøstere for frekvenser mellem 0,1 hertz og 600 hertz. /P>

Den maksimale energikonverteringseffektivitet opnået med den seneste twistron-version var 7,2 gange højere end tidligere twistrons, sagde Baughman. Forskerne har søgt patent på teknologien. + Udforsk yderligere

Ingen batterier påkrævet:Energihøstende garn genererer elektricitet