Een groep onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas en hun collega's hebben aanzienlijke verbeteringen aangebracht in de door hen uitgevonden garens voor het oogsten van energie, de zogenaamde twistrons, die zijn gemaakt van koolstofnanobuizen en die elektriciteit produceren wanneer ze herhaaldelijk worden uitgerekt.

De onderzoekers beschrijven de verbeterde twistrons en enkele potentiële toepassingen van de technologie in een artikel dat is gepubliceerd in het gedrukte nummer van 7 juli van Advanced Materials .

In een proof-of-principle-experiment naaide Zhong Wang, Ph.D., hoofdauteur van het artikel en een onderzoeksmedewerker in het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute aan de UT Dallas, de nieuwe twistron-garens in een handschoen. Terwijl iemand die de handschoen droeg verschillende letters en zinnen vormde in Amerikaanse Gebarentaal, wekten de handgebaren elektriciteit op.

"Op basis van de uitgangsspanningsprofielen kunnen we gemakkelijk de vingerbewegingen van verschillende letters en zinnen onderscheiden, en we kunnen deze handschoen mogelijk gebruiken als gebarentaalvertaler op eigen kracht", zegt Wang, wiens promotieonderzoek bij UTD zich richtte op koolstofnanobuisjes. garens en energieoogsters. Voor dit werk won hij in 2022 de Best Dissertation Award in de School of Natural Sciences and Mathematics.

Onder leiding van Dr. Ray Baughman, directeur van het NanoTech Institute en de Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry, rapporteerde de onderzoeksgroep voor het eerst hun twistron-technologie in het tijdschrift Science in 2017. Sindsdien heeft het team de processen verfijnd die ze gebruiken om de garens te maken, wat heeft geresulteerd in vezels die efficiënter zijn en meer elektriciteit produceren per rekcyclus dan de vorige versie.

"Het oogsten van energie is een uiterst belangrijk gebied, vooral omdat we op zoek zijn naar alternatieven voor het verbranden van fossiele brandstoffen. We willen energie uit elke beschikbare bron halen", zegt Baughman, de corresponderende auteur van het laatste artikel.

Enkele van de mogelijke toepassingen van twistrons zijn onder meer het oogsten van energie uit oceaangolven om sensoren van stroom te voorzien of uiteindelijk om steden van stroom te voorzien, zei hij, evenals het gebruik van lichaamsbewegingen om draagbare apparaten van stroom te voorzien.

"Als je een humanoïde robot hebt en je wilt weten welke spieren zijn samengetrokken en of ze goed werken, dan kun je zeer fijne vezels van onze twistron-oogstmachines gebruiken, zodat wanneer de spier van dimensie verandert, hij de twistron uitrekt, die elektriciteit opwekt ', zei Baughman. "Die elektriciteit kan worden gemeten, wat je kan vertellen hoeveel die spier van dimensie is veranderd."

Twistrons zijn gemaakt van koolstofnanobuisjes, holle cilinders van koolstof die 10.000 keer kleiner in diameter zijn dan een mensenhaar. De nanobuisjes worden getwist tot zeer sterke, lichtgewicht garens. Om de garens zeer elastisch te maken, introduceren de onderzoekers zoveel twist dat de garens als een overgedraaide rubberen band oprollen.

De Geavanceerde materialen artikel beschrijft hoe Wang en zijn collega's de prestaties van twistrons verbeterden door verschillende innovaties in het fabricageproces op te nemen.

"Het basismechanisme van deze twistrons is dat wanneer je ze uitrekt, de bundels van individuele koolstofnanobuisjes met elkaar in contact komen, waardoor de dichtheid van elektronen in het materiaal toeneemt, wat de uitgangsspanning verhoogt," zei Wang. "Op basis van dit inzicht hebben we ontdekt dat het optimaliseren van de uitlijning van nanobuisjes - de hoeveelheid oppervlakte waar ze op elkaar inwerken - de capaciteitsverandering drastisch kan vergroten en de uitgangsspanning dramatisch kan verhogen."

De onderzoekers verwerkten ook grafeen in het productieproces. Grafeen is een één atoom dik, 2D-koolstofblad.

"We beginnen met het trekken van een vel koolstofnanobuisjes uit een verticaal uitgelijnde reeks nanobuisjes, een bos genoemd", zei Wang. "In deze nieuwe experimenten hebben we een stap toegevoegd:we hebben grafeen op dat vel gedeponeerd en het vervolgens allemaal tot garens gedraaid en opgerold. Dit verbeterde de capaciteitsverandering en de hoeveelheid elektriciteit die we uit de resulterende twistrons kunnen halen dramatisch."

Een verbeterd gloeiproces hielp ook de output van de twistrons te verhogen, zei Wang.

Door de nieuwe opgerolde twistron-garens 30 keer per seconde (30 hertz) uit te rekken, genereerde 3,19 kilowatt per kilogram elektrisch piekvermogen, een twaalfvoudige toename ten opzichte van de hoogste waarden gerapporteerd door andere onderzoekers voor alternatieve mechanische energieoogsters voor frequenties tussen 0,1 hertz en 600 hertz.

De maximale energieconversie-efficiëntie die werd behaald met de nieuwste twistron-versie was 7,2 keer die van eerdere twistrons, zei Baughman. De onderzoekers hebben patent aangevraagd op de technologie. + Verder verkennen

Geen batterijen nodig:garens voor het oogsten van energie wekken elektriciteit op