Dr Haifei Zhan, från QUT Center for Materials Science, och hans kollegor har framgångsrikt modellerat den mekaniska energilagrings- och frigöringsförmågan hos en diamant nanotråd (DNT)-bunt – en samling ultratunna endimensionella koltrådar som lagrar energi när de vrids eller sträcks.

"Liknande med en komprimerad spole eller barns upprullningsleksak, energi kan frigöras när den tvinnade bunten nyss upp, " sa Dr Zhan.

"Om du kan skapa ett system för att styra strömmen från nanotrådspaketet skulle det vara en säkrare och mer stabil energilagringslösning för många applikationer."

Den nya kolstrukturen kan vara en potentiell mikroskalig strömförsörjning för allt från implanterade biomedicinska avkänningssystem som övervakar hjärt- och hjärnfunktioner, till små robotar och elektronik.

"Till skillnad från kemikalielagring som litiumjonbatterier, som använder elektrokemiska reaktioner för att lagra och frigöra energi, ett mekaniskt energisystem i sig skulle medföra mycket lägre risk i jämförelse, " sa Dr Zhan.

"Vid höga temperaturer kan kemikalielagringssystem explodera eller kan inte reagera vid låga temperaturer. Dessa kan också läcka vid fel, orsakar kemisk förorening.

"Mekaniska energilagringssystem har inte dessa risker så gör dem mer lämpade för potentiella tillämpningar inom människokroppen.

"Kolnanotrådsbuntar kan göras till vridspunnen garnbaserade konstgjorda muskler som svarar på elektriska, kemiska eller fotoniska excitationer.

"Tidigare forskning har visat att en sådan struktur gjord med kolnanorör kan lyfta 50, 000 gånger sin egen vikt."

Dr Zhans team fann att nanotrådsbuntens energitäthet – hur mycket energi den kunde lagra för sin massa – var 1,76 MJ per kilogram, vilket var 4-5 beställningar högre än en konventionell stålfjäder, och upp till tre gånger jämfört med Li-ion-batterier.

"Energitäta material är mycket viktiga för många applikationer, det är därför vi alltid letar efter lätta material som fortfarande presterar bra.

"Fördelarna för flygtillämpningar är uppenbara. Om vi ​​kan minska vikten av ett system, vi kan avsevärt minska dess bränslebehov och kostnader."

Användningen av nanotrådsbuntar i kol som en energikälla kan vara oändlig, enligt Dr Zhan.

"Nanotrådsbuntarna kan användas i nästa generations kraftöverföringsledningar, flygelektronik, och fältutsläpp, batterier, intelligenta textilier och strukturella kompositer såsom byggmaterial.

Forskningsresultat publicerades av Naturkommunikation i tidningen:"Mekanisk energilagring med ultrahög densitet med nanotrådsbunt av kol, " och utgör grunden för Dr. Zhans ARC Discovery-projekt - "A Novel Multilevel Modeling Framework to Design Diamond Nanothread Bundles."

Dr. Zhan och hans team planerar nu produktion av ett experimentellt mekaniskt energisystem i nanoskala som bevis på konceptet.

Dr Zhan sa att forskargruppen skulle ägna de kommande två till tre åren åt att bygga kontrollmekanismen för systemet för att lagra energi – systemet som kontrollerar vridning och sträckning av nanotrådsbunten.