2022-09-11
 
新能源收割机显示出了像手套一样的潜力
2022年09月11日  

德克萨斯大学达拉斯分校的一组研究人员和他们的同事们对他们发明的能量收集纱线进行了重大改进,这种纱线称为捻线,由碳纳米管制成,在反复拉伸时产生电能。

研究人员在7月7日出版的《先进材料》杂志上发表了一篇文章,描述了改进的扭转子和该技术的一些潜在应用。

在一个原理证明实验中,本文的主要作者、达拉斯大学艾伦·G·麦克迪亚米纳米技术研究所的研究员王忠博士将这种新型捻线纱缝入手套。当戴手套的人在美国手语中形成不同的字母和短语时,手势产生了电。

“基于输出电压曲线,我们可以很容易地区分不同字母和短语的手指运动,我们可以将这只手套作为一种自供电手语翻译工具,”Wang说,他在UTD的博士研究重点是碳纳米管纱线和能量采集器。他因这项工作获得了2022年自然科学与数学学院最佳论文奖。

在纳米技术研究所所长、罗伯特·A·韦尔奇杰出化学主席雷·鲍曼博士的领导下,该研究小组于2017年首次在《科学》杂志上报道了他们的twistron技术。自那时以来,该团队改进了制造纱线的工艺,与之前的版本相比,它产生了更高效的纤维,并且每个拉伸周期产生更多的电。

“能源收集是一个极其重要的领域,特别是在我们寻找燃烧化石燃料的替代品时。我们希望从所有可用的来源收集能源,”这篇最新文章的通讯作者鲍曼说。

他说,Twistron的一些潜在应用包括从海浪中收集能量,为传感器供电,或最终为城市供电,以及利用人体运动为可穿戴设备供电。

鲍曼说:“如果你有一个人形机器人,你想知道哪些肌肉已经收缩,它们是否正常工作,你可以加入我们的twistron收割机的非常精细的纤维,这样当肌肉改变尺寸时,它会拉伸twistron,从而产生电能。”。“电流可以测量,这可以告诉你肌肉的尺寸变化了多少。”

扭动器由碳纳米管构成,碳纳米管是由直径比人头发小10000倍的碳制成的空心圆柱体。纳米管被捻成高强度、轻量的纱线。为了使纱线具有高弹性,研究人员引入了如此多的捻度,使得纱线像一个过度缠绕的橡皮筋一样缠绕。

高级材料文章描述了Wang和他的同事如何通过在制造过程中加入一些创新来改进Twistron的性能。

“这些扭曲子的基本机制是,当你拉伸它们时,单个碳纳米管束相互接触,增加了材料中的电子密度,从而增加了电压输出,”Wang说。“基于这种理解,我们发现优化纳米管排列鈥攖它们相互作用的表面积鈥攃“显著增加电容变化并显著增加电压输出。”

研究人员还将石墨烯纳入制造过程。石墨烯是一种单原子厚的二维碳薄片。

“我们首先从垂直排列的纳米管阵列(称为森林)中提取一片碳纳米管,”王说。“在这些新的实验中,我们添加了一个步骤:我们将石墨烯沉积在该片上,然后将其缠绕在一起,形成纱线。这显著改善了电容变化,并提高了我们从产生的捻环中获得的电量。”

王说,改进的退火工艺也有助于提高扭结器的产量。

以每秒30次(30赫兹)的速度拉伸新卷绕的捻线纱线产生3.19千瓦/千克的峰值电功率,比其他研究人员报告的频率在0.1赫兹和600赫兹之间的替代机械能采集器的最高值增加了12倍。

Baughman说,最新版本的twistron获得的最大能量转换效率是先前twistrons的7.2倍。研究人员已经申请了这项技术的专利。

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