Un nuevo hilo de nanotubos de carbono cosecha energía mecánica

Investigadores de nanotecnología de la Universidad de Texas en Dallas han creado novedosos 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 Energy, investigadores de UT Dallas y sus colaboradores describen mejoras en los hilos de alta tecnología que inventaron, llamados "twistrons", que generan electricidad cuando se estiran o retuercen. Su nueva versión está construida de manera muy similar a los hilos tradicionales de lana o algodón.

Los Twistrons cosidos en textiles pueden detectar y captar el movimiento humano; cuando se despliegan en agua salada, los twistrons pueden recolectar energía del movimiento de las olas del océano; y los twistrons pueden incluso cargar supercondensadores.

Descritos por primera vez por investigadores de la UTD en un estudio publicado en 2017 en la revista Science, los twistrons están construidos a partir de nanotubos de carbono (CNT), que son cilindros huecos de carbono con un diámetro 10.000 veces más pequeño que un cabello humano. Para fabricar twistrones, los nanotubos se hilan para obtener fibras o hilos livianos y de alta resistencia, a 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 torciéndolos y desenroscándolos.

En el nuevo estudio, el equipo de investigación no retorció las fibras hasta el punto de enrollarse. En lugar de ello, entrelazaron tres hebras individuales de fibras de nanotubos de carbono hiladas para formar un solo hilo, similar a la forma en que se construyen los hilos convencionales utilizados en los textiles, pero con un giro diferente.

“Los hilos trenzados utilizados en textiles normalmente se fabrican con hebras individuales que se retuercen en una dirección y luego se doblan juntas en la dirección opuesta para formar el hilo final. Esta construcción heteroquiral proporciona estabilidad contra la torsión”, dijo el Dr. Ray Baughman, director del Instituto de Nanotecnología Alan G. MacDiarmid en UT Dallas y autor correspondiente del estudio.

"Por el contrario, nuestros twistrones de mayor rendimiento fabricados con nanotubos de carbono tienen la misma facilidad de torsión y plegado: son homoquirales en lugar de heteroquirales", dijo Baughman, catedrático distinguido Robert A. Welch de Química en la Facultad de Ciencias Naturales. y Matemáticas.

En experimentos con hilos CNT doblados, 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 de tracción y torsión.

"Estos twistrons tienen una mayor potencia de salida por peso de cosechadora en un amplio rango de frecuencia (entre 2 hercios y 120 hercios) que la reportada anteriormente para cualquier cosechadora de energía mecánica basada en materiales que no sea twistron", dijo Baughman.

“Nuestros materiales hacen algo muy inusual. Cuando los estiras, 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”.

Dr. Ray Baughman, Cátedra Distinguida Robert A. Welch de Química en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas

Baughman dijo que el rendimiento mejorado de los twistrons doblados 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 estiras, 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. Contamos con un gran equipo de teóricos y experimentales que intentan comprender más completamente por qué obtenemos tan buenos resultados”.

Para obtener más información sobre cómo UT Dallas está mejorando vidas a través de investigaciones transformadoras, explore Nuevas dimensiones: la campaña para UT Dallas.

Los investigadores descubrieron que construir el hilo a partir de tres capas proporcionaba un rendimiento óptimo.

El equipo llevó a cabo varios experimentos de prueba de concepto utilizando twistrones 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 twistrones 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 cuando la persona doblaba repetidamente el codo, lo que demuestra el uso potencial de las fibras para detectar y captar el movimiento humano.

Los investigadores han solicitado una patente basada en la tecnología.

Otros investigadores del NanoTech Institute involucrados en el trabajo son los coautores principales, el Dr. Mengmeng Zhang, investigador asociado, y el Dr. Wenting Cai, ex científico visitante; Zhong Wang PhD'21, investigador asociado; Dr. Shaoli Fang, profesor asociado de investigación; Dr. Ali E. Aliev, profesor investigador; el Dr. Anvar Zakhidov, subdirector del instituto y profesor de física; y el Dr. Jiyoung Oh, científico investigador. Otros contribuyentes de UTD fueron Runyu Zhang, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica, y el Dr. Hongbing Lu, profesor de ingeniería mecánica y titular de la cátedra Louis Beecherl Jr..

También contribuyeron investigadores de la Universidad de Xi'an Jiaotong y la Universidad de Wuhan en China, la Universidad de Hanyang en Corea del Sur y el Centro de Nanociencia y Tecnología de Lintec of America Inc.

Las fuentes de financiación de la investigación incluyen la Marina de los EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Welch, la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía.