Los investigadores de nanotecnología de la Universidad de Texas en Dallas han creado nuevos hilos de nanotubos de carbono que convierten el movimiento mecánico en electricidad de manera más efectiva que otros recolectores de energía basados en materiales.
En un estudio publicado el 26 de enero en Nature Power, los investigadores de UT Dallas y sus colaboradores describen mejoras en los hilos de alta tecnología que inventaron llamados “twistrones”, que generan electricidad cuando se estiran o se tuercen. Su nueva versión está construida de manera muy related a los hilos tradicionales de lana o algodón.
Los twistrons cosidos en textiles pueden detectar y recolectar el movimiento humano; cuando se despliegan en agua salada, los twistrones pueden recolectar energía del movimiento de las olas del océano; y los twistrons pueden incluso cargar supercondensadores.
Descrito por primera vez por investigadores de UTD en un estudio publicado en 2017 en la revista Science, los twistrons se construyen a partir de nanotubos de carbono (CNT), que son cilindros huecos de carbono 10,000 veces más pequeños en diámetro que un cabello humano. Para hacer twistrons, los nanotubos se hilan por torsión en fibras o hilos livianos y de alta resistencia, en los que también se pueden incorporar electrolitos.
Las versiones anteriores de twistrons eran muy elásticas, lo que los investigadores lograron introduciendo tanta torsión que los hilos se enrollan como una banda elástica demasiado retorcida. La electricidad es generada por los hilos enrollados estirándolos y soltándolos repetidamente, o torciendo y destorciendo.
En el nuevo estudio, el equipo de investigación no retorció las fibras hasta el punto de enrollarse. En cambio, entrelazaron tres hebras individuales de fibras de nanotubos de carbono hiladas para hacer un solo hilo, related a la forma en que se construyen los hilos convencionales que se usan en los textiles, pero con un giro diferente.
“Los hilos retorcidos que se usan en textiles generalmente se fabrican con hebras individuales que se retuercen en una dirección y luego se unen en la dirección opuesta para hacer el hilo last. Esta construcción heteroquiral brinda estabilidad contra el destorcimiento”, dijo el Dr. Ray Baughman, director de el Instituto Alan G. MacDiarmid NanoTech en UT Dallas y el autor correspondiente del estudio.
“Por el contrario, nuestros twistrons con capas de nanotubos de carbono de más alto rendimiento tienen la misma mano de torsión y capas: son homoquirales en lugar de heteroquirales”, dijo Baughman, presidente distinguido de química de Robert A. Welch en la Facultad de Ciencias Naturales. y Matemáticas.
En experimentos con hilos de CNT en capas, los investigadores demostraron una eficiencia de conversión de energía del 17,4 % para la recolección de energía de tracción (estiramiento) y del 22,4 % para la recolección de energía de torsión (torsión). Las versiones anteriores de sus twistrons en espiral alcanzaron una eficiencia máxima de conversión de energía del 7,6 % para la recolección de energía tanto de tracción como de torsión.
“Estos twistrons tienen una mayor potencia de salida por peso del cosechador en un amplio rango de frecuencia, entre 2 Hz y 120 Hz, que lo informado anteriormente para cualquier cosechador de energía mecánica basado en materiales que no sea twistron”, dijo Baughman.
Baughman dijo que el rendimiento mejorado de los twistrons plegados resulta de la compresión lateral del hilo al estirarlo o torcerlo. Este proceso pone las capas en contacto entre sí de una manera que afecta las propiedades eléctricas del hilo.
“Nuestros materiales hacen algo muy inusual”, dijo Baughman. “Cuando los estira, en lugar de volverse menos densos, se vuelven más densos. Esta densificación acerca los nanotubos de carbono y contribuye a su capacidad de recolección de energía. Tenemos un gran equipo de teóricos y experimentadores que intentan comprender más completamente por qué conseguir tan buenos resultados”.
Los investigadores descubrieron que construir el hilo a partir de tres capas proporcionaba un rendimiento óptimo.
El equipo realizó varios experimentos de prueba de concepto utilizando twistrons de tres capas. En una demostración, simularon la generación de electricidad a partir de las olas del océano colocando un twistron de tres capas entre un globo y el fondo de un acuario lleno de agua salada. También dispusieron múltiples capas de twistrons en una matriz que pesaba solo 3,2 miligramos y los estiraron repetidamente para cargar un supercondensador, que luego tenía suficiente energía para alimentar cinco pequeños diodos emisores de luz, un reloj digital y un sensor digital de humedad/temperatura.
El equipo también cosió los hilos CNT en un parche de tela de algodón que luego se envolvió alrededor del codo de una persona. Se generaron señales eléctricas a medida que la persona doblaba repetidamente el codo, lo que demuestra el uso potencial de las fibras para detectar y recolectar el movimiento humano.
Informe de investigación:Recolectores de energía mecánica con una eficiencia de tracción del 17,4 % y una eficiencia de torsión del 22,4 % basados en hilos de nanotubos de carbono homoquiralmente plegados
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