Neues Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Garn gewinnt mechanische Energie

Nanotechnologieforscher an der University of Texas in Dallas haben neuartige Kohlenstoffnanoröhrengarne hergestellt, die mechanische Bewegung effektiver in Elektrizität umwandeln als andere materialbasierte Energieerntegeräte.

In einer am 26. Januar in Nature Energy veröffentlichten Studie beschreiben Forscher der UT Dallas und ihre Mitarbeiter Verbesserungen an von ihnen erfundenen High-Tech-Garnen namens „Twistrons“, die beim Strecken oder Verdrehen Strom erzeugen. Ihre neue Version ist ähnlich wie herkömmliche Woll- oder Baumwollgarne aufgebaut.

In Textilien eingenähte Twistrons können menschliche Bewegungen erfassen und erfassen; Beim Einsatz in Salzwasser können Twistrons Energie aus der Bewegung der Meereswellen gewinnen. und Twistrons können sogar Superkondensatoren laden.

Twistrons wurden erstmals von UTD-Forschern in einer 2017 in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie beschrieben und bestehen aus Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), bei denen es sich um hohle Kohlenstoffzylinder mit einem 10.000-mal kleineren Durchmesser als ein menschliches Haar handelt. Zur Herstellung von Twistrons werden die Nanoröhren zu hochfesten, leichten Fasern oder Garnen verdrillt, in die auch Elektrolyte eingearbeitet werden können.

Frühere Versionen von Twistrons waren hochelastisch, was die Forscher erreichten, indem sie so viel Drehung einführten, dass sich die Garne wie ein überdrehtes Gummiband aufwickelten. Elektrizität wird durch die aufgewickelten Garne erzeugt, indem sie wiederholt gedehnt und gelöst oder verdreht und entdreht werden.

In der neuen Studie verdrehte das Forscherteam die Fasern nicht bis zum Aufrollen. Stattdessen verflochten sie drei einzelne Stränge aus gesponnenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern zu einem einzigen Garn, ähnlich wie herkömmliche Garne für Textilien aufgebaut sind – allerdings mit einer anderen Drehung.

„Gezwirnte Garne, die in Textilien verwendet werden, bestehen typischerweise aus einzelnen Strängen, die in eine Richtung gedreht und dann in die entgegengesetzte Richtung zusammengezwirnt werden, um das endgültige Garn herzustellen. Diese heterochirale Konstruktion bietet Stabilität gegen Aufdrehen“, sagte Dr. Ray Baughman, Direktor des Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute an der UT Dallas und korrespondierender Autor der Studie.

„Im Gegensatz dazu haben unsere leistungsstärksten Twistrons mit Kohlenstoffnanoröhren die gleiche Verdrillung und Verdrehung – sie sind eher homochiral als heterochiral“, sagte Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry an der School of Natural Sciences und Mathematik.

In Experimenten mit den gezwirnten CNT-Garnen zeigten die Forscher einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 17,4 % für die Zugenergiegewinnung (Streckung) und 22,4 % für die Torsionsenergiegewinnung (Drehung). Frühere Versionen ihrer gewickelten Twistrons erreichten einen maximalen Energieumwandlungswirkungsgrad von 7,6 % sowohl bei der Zug- als auch bei der Torsionsenergiegewinnung.

„Diese Twistrons haben über einen weiten Frequenzbereich – zwischen 2 Hertz und 120 Hertz – eine höhere Leistungsabgabe pro Harvestergewicht als bisher für alle materialbasierten mechanischen Energie-Harvester ohne Twistron“, sagte Baughman.

„Unsere Materialien bewirken etwas ganz Ungewöhnliches. Wenn Sie sie dehnen, werden sie nicht weniger dicht, sondern dichter. Diese Verdichtung drückt die Kohlenstoffnanoröhren enger zusammen und trägt zu ihrer Fähigkeit zur Energiegewinnung bei.“

Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair für Chemie an der Fakultät für Naturwissenschaften und Mathematik

Baughman sagte, die verbesserte Leistung der gezwirnten Twistrons resultiere aus der seitlichen Kompression des Garns beim Strecken oder Zwirnen. Durch diesen Vorgang kommen die Lagen in einer Weise miteinander in Kontakt, die sich auf die elektrischen Eigenschaften des Garns auswirkt.

„Unsere Materialien bewirken etwas sehr Ungewöhnliches“, sagte Baughman. „Wenn man sie dehnt, werden sie nicht weniger dicht, sondern dichter. Diese Verdichtung drückt die Kohlenstoffnanoröhren enger zusammen und trägt zu ihrer Fähigkeit zur Energiegewinnung bei. Wir haben ein großes Team von Theoretikern und Experimentatoren, die versuchen, besser zu verstehen, warum wir so gute Ergebnisse erzielen.“

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Die Forscher fanden heraus, dass der Aufbau des Garns aus drei Lagen die optimale Leistung erbrachte.

Das Team führte mehrere Proof-of-Concept-Experimente mit dreilagigen Twistrons durch. In einer Demonstration simulierten sie die Erzeugung von Elektrizität aus Meereswellen, indem sie einen dreilagigen Twistron zwischen einem Ballon und dem Boden eines mit Salzwasser gefüllten Aquariums befestigten. Außerdem ordneten sie mehrere verdrillte Twistrons in einer nur 3,2 Milligramm schweren Anordnung an und dehnten sie wiederholt, um einen Superkondensator aufzuladen, der dann genug Energie hatte, um fünf kleine Leuchtdioden, eine Digitaluhr und einen digitalen Feuchtigkeits-/Temperatursensor mit Strom zu versorgen.

Das Team nähte die CNT-Garne auch in einen Baumwollstoffflicken, der dann um den Ellbogen einer Person gewickelt wurde. Elektrische Signale wurden erzeugt, als die Person wiederholt ihren Ellbogen beugte, was die mögliche Verwendung der Fasern zur Erfassung und Erfassung menschlicher Bewegungen demonstrierte.

Die Forscher haben ein Patent auf Basis der Technologie angemeldet.

Weitere an der Arbeit beteiligte Forscher des NanoTech Institute sind die Co-Hauptautoren Dr. Mengmeng Zhang, wissenschaftlicher Mitarbeiter, und Dr. Wenting Cai, ehemaliger Gastwissenschaftler; Zhong Wang PhD'21, wissenschaftlicher Mitarbeiter; Dr. Shaoli Fang, außerordentlicher Forschungsprofessor; Dr. Ali E. Aliev, Forschungsprofessor; Dr. Anvar Zakhidov, stellvertretender Direktor des Instituts und Professor für Physik; und Dr. Jiyoung Oh, Forschungswissenschaftler. Weitere Mitwirkende von UTD waren Runyu Zhang, Doktorand im Maschinenbau, und Dr. Hongbing Lu, Professor für Maschinenbau und Inhaber des Louis Beecherl Jr. Chair.

Forscher der Xi'an Jiaotong University und der Wuhan University in China, der Hanyang University in Südkorea und des Nano-Science & Technology Center von Lintec of America Inc. trugen ebenfalls dazu bei.

Zu den Finanzierungsquellen der Forschung gehören die US Navy, das Air Force Office of Scientific Research, die Welch Foundation, die National Science Foundation und das Energieministerium.