Zhong Wang PhD’21, en forskarassistent vid Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute vid UT Dallas, visar upp en handske i vilken han sydde twistronfibrer, som är energiskördande garn gjorda av kolnanorör som producerar elektricitet när de sträcks upprepade gånger. Forskare förfinade processerna för att tillverka garnen, vilket resulterade i fibrer som är mer effektiva och producerar mer elektricitet per sträckningscykel än den tidigare versionen. Kredit:University of Texas i Dallas
En grupp forskare från University of Texas i Dallas och deras kollegor har gjort betydande förbättringar av energiskördande garn som de uppfann kallade twistrons, som är gjorda av kolnanorör och producerar elektricitet när de sträcks upprepade gånger.
Forskarna beskriver de förbättrade twistronerna och några potentiella tillämpningar av tekniken i en artikel som publicerades i det tryckta numret av den 7 juli av Advanced Materials .
I ett proof-of-principe-experiment sydde Zhong Wang, Ph.D., huvudförfattare till artikeln och en forskarassistent vid Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute vid UT Dallas, de nya twistron-garnen till en handske. När någon som bar handsken bildade olika bokstäver och fraser på amerikanskt teckenspråk genererade handgester elektricitet.
"Baserat på utspänningsprofilerna kan vi enkelt särskilja fingerrörelserna för olika bokstäver och fraser, och vi kan potentiellt använda den här handsken som en egendriven teckenspråksöversättare", säger Wang, vars doktorandforskning vid UTD fokuserade på kolnanorör. garn och energiskördare. Han vann priset för bästa avhandling vid School of Natural Sciences and Mathematics 2022 för detta arbete.
Ledd av Dr. Ray Baughman, chef för NanoTech Institute och Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry, rapporterade forskargruppen först om sin twistronteknologi i tidskriften Science 2017. Sedan dess har teamet förfinat de processer de använder för att tillverka garnerna, och det har resulterat i fibrer som är mer effektiva och som producerar mer elektricitet per sträckningscykel än den tidigare versionen.
"Energiskörd är ett ytterst viktigt område, särskilt när vi letar efter alternativ till förbränning av fossila bränslen. Vi skulle vilja skörda energi från alla tillgängliga källor", säger Baughman, motsvarande författare till den senaste artikeln.
Några av de potentiella tillämpningarna för twistrons inkluderar att skörda energi från havsvågor till att driva sensorer eller så småningom hjälpa städer att driva, sa han, samt att använda kroppsrörelser för att driva bärbara enheter.
"Om du har en humanoid robot och du vill veta vilka muskler som har sammandragit sig och om de fungerar korrekt, kan du inkorporera mycket fina fibrer från våra twistron-skördare så att när muskeln ändrar dimensioner sträcker den ut twistronen, vilket genererar elektricitet ", sa Baughman. "Den elektriciteten kan mätas, vilket kan berätta hur mycket den muskeln har ändrat dimension."
När någon som bar handsken bildade olika bokstäver och fraser på amerikanskt teckenspråk, genererade handgester distinkta elektriska signaler. Kredit:University of Texas i Dallas
Twistroner är konstruerade av kolnanorör, som är ihåliga cylindrar av kol som är 10 000 gånger mindre i diameter än ett människohår. Nanorören är snurrade till höghållfasta, lätta garner. För att göra garnen mycket elastiska introducerar forskarna så mycket snodd att garnerna rullar sig som ett övertvinnat gummiband.
Avancerat material artikeln beskriver hur Wang och hans kollegor förbättrade prestandan hos twistrons genom att införliva flera innovationer i tillverkningsprocessen.
"Den grundläggande mekanismen för dessa twistrons är att när du sträcker dem kommer buntarna av individuella kolnanorör i kontakt med varandra, vilket ökar tätheten av elektroner i materialet, vilket ökar spänningen," sa Wang. "Baserat på denna förståelse fann vi att optimering av nanorörsinriktningen – mängden ytarea där de interagerar – kan dramatiskt öka kapacitansförändringen och dramatiskt öka utspänningen."
Forskarna inkorporerade också grafen i tillverkningsprocessen. Grafen är ett enatomtjockt 2D-ark av kol.
"Vi börjar med att dra ett ark av kolnanorör från en vertikalt inriktad samling av nanorör, kallad skog," sa Wang. "I dessa nya experiment lade vi till ett steg:vi deponerade grafen på det arket och tvinnade och lindade sedan ihop allt till garn. Detta förbättrade dramatiskt kapacitansförändringen och mängden elektricitet vi kan skörda från de resulterande twistronerna."
En förbättrad glödgningsprocess bidrog också till att öka uteffekten av twistronerna, sa Wang.
Att sträcka ut de nya lindade twistron-trådarna 30 gånger i sekunden (30 hertz) genererade 3,19 kilowatt per kilogram elektrisk toppeffekt, en tolvfaldig ökning jämfört med de högsta värdena som rapporterats av andra forskare för skördare för alternativ mekanisk energi för frekvenser mellan 0,1 hertz och 600 hertz.
Den maximala energiomvandlingseffektiviteten som erhölls med den senaste twistronversionen var 7,2 gånger högre än tidigare twistrons, sa Baughman. Forskarna har ansökt om patent på tekniken. + Utforska vidare
