Международная исследовательская группа под руководством ученых из Университета Техаса в Далласе и Университета Ханьянг в Южной Корее разработала высокотехнологичную пряжу, которая вырабатывает электричество при растяжении или скручивании.
В исследовании, опубликованном в выпуске журнала Science от 25 августа, исследователи описывают «твистронные» нити и их возможные применения, такие как сбор энергии от движения океанских волн или от колебаний температуры. Пришитые к рубашке, эти нити служили датчиком дыхания с автономным питанием.
«Самый простой способ представить себе твистронные комбайны - это взять кусок пряжи, вы его растягиваете, и на выходе появляется электричество», - сказал доктор Картер Хейнс, адъюнкт-профессор Института нанотехнологий Алана Дж. МакДиармида. в UT Dallas и соавтор статьи. В статье также участвуют исследователи из Южной Кореи, Технологического института Вирджинии, базы ВВС Райт-Паттерсон и Китая.
Пряжа на основе нанотехнологий
Нить изготовлена из углеродных нанотрубок, которые представляют собой полые цилиндры из углерода в 10 000 раз меньшего диаметра, чем человеческий волос. Исследователи сначала скрутили нанотрубки в высокопрочную и легкую пряжу. Чтобы сделать пряжу очень эластичной, они сделали так много крутки, что пряжа скручивалась, как перекрученная резиновая лента.
Чтобы вырабатывать электричество, пряжа должна быть либо погружена, либо покрыта ионопроводящим материалом или электролитом, который может быть таким простым, как смесь обычной поваренной соли и воды.
«По сути, эти нити являются суперконденсаторами», - говорит доктор На Ли, научный сотрудник Института нанотехнологий и соавтор исследования. «В обычном конденсаторе вы используете энергию, как от батареи, чтобы зарядить конденсатор. Но в нашем случае, когда вы помещаете нити из углеродных нанотрубок в ванну с электролитом, нити заряжаются самим электролитом. требуется батарея или напряжение."
Когда пряжа комбайна скручивается или растягивается, объем нити из углеродных нанотрубок уменьшается, сближая электрические заряды на пряже и увеличивая их энергию, сказал Хейнс. Это увеличивает напряжение, связанное с зарядом, хранящимся в пряже, что позволяет собирать электричество.
Растягивание скрученных нитей твистрона 30 раз в секунду генерировало 250 ватт на килограмм пиковой мощности при нормировании к весу комбайна, сказал доктор Рэй Боман, директор Института нанотехнологий и соавтор исследования.
"Несмотря на то, что многие альтернативные комбайны исследовались в течение многих десятилетий, ни один из известных комбайнов не обеспечивает такой высокой электрической мощности или выходной энергии за цикл, как наш, при скорости растяжения от нескольких циклов в секунду до 600 циклов в секунду."
Лабораторные испытания показывают потенциальные возможности применения
В лаборатории исследователи показали, что твистронная пряжа, весящая меньше комнатной мухи, может питать небольшой светодиод, который загорается каждый раз, когда пряжа растягивается.
Чтобы показать, что твистроны могут собирать отработанную тепловую энергию из окружающей среды, Ли соединил твистронную нить с полимерной искусственной мышцей, которая сжимается и расширяется при нагревании и охлаждении. Комбайн твистрона преобразовывал механическую энергию, генерируемую полимерной мышцей, в электрическую энергию.
«Существует большой интерес к использованию отработанной энергии для питания Интернета вещей, например массивов распределенных датчиков», - сказал Ли. «Технология Twistron может быть использована для приложений, где замена батарей нецелесообразна».
Исследователи также вшивали твистронные комбайны в рубашку. Нормальное дыхание растягивало пряжу и генерировало электрический сигнал, демонстрируя его потенциал в качестве датчика дыхания с автономным питанием.
"Электронные ткани представляют большой коммерческий интерес, но как вы собираетесь обеспечивать их энергией?" - сказал Боуман. «Извлечение электрической энергии из человеческого движения - это одна из стратегий устранения необходимости в батареях. Наша пряжа производит более чем в сто раз большую электрическую мощность на единицу веса при растяжении по сравнению с другими ткацкими волокнами, о которых сообщается в литературе».
Электричество из океанских волн
«В лаборатории мы показали, что наши сборщики энергии работают, используя раствор поваренной соли в качестве электролита», - сказал Боуман, заведующий почетной кафедрой химии имени Роберта А. Уэлча в Школе естественных наук и математики. «Но мы хотели показать, что они будут работать и в океанской воде, которая химически более сложна."
В ходе демонстрации концепции, соавтор доктор Ши Хён Ким, исследователь с докторской степенью в Институте нанотехнологий, вошел в холодный прибой у восточного побережья Южной Кореи, чтобы развернуть спиральный твитрон в море. Он прикрепил нить длиной 10 сантиметров и весом всего 1 миллиграмм (примерно вес комара) между воздушным шаром и грузилом, стоявшим на морском дне.
Каждый раз, когда прибывала океанская волна, воздушный шар поднимался вверх, растягивая пряжу на 25 процентов, тем самым вырабатывая измеряемое электричество.
Несмотря на то, что исследователи использовали очень небольшое количество пряжи твистрона в текущем исследовании, они показали, что производительность харвестера можно масштабировать, как за счет увеличения диаметра твистрона, так и за счет параллельной работы множества нитей.
«Если бы наши твистронные харвестеры можно было сделать дешевле, они могли бы в конечном итоге получить огромное количество энергии, доступной из океанских волн», - сказал Боуман.«Однако в настоящее время эти комбайны больше всего подходят для питания датчиков и сенсорной связи. Исходя из продемонстрированной средней выходной мощности, всего 31 миллиграмм пряжи из углеродных нанотрубок может обеспечить электрическую энергию, необходимую для передачи 2-килобайтного пакета данных через 100 -метр радиусом каждые 10 секунд для Интернета вещей."