Pesquisadores de nanotecnologia da Universidade do Texas, em Dallas, criaram novos fios de nanotubos de carbono que convertem movimento mecânico em eletricidade com mais eficiência do que outros coletores de energia baseados em materiais.
Em um estudo publicado em 26 de janeiro na Energia da Natureza, Os pesquisadores da UT Dallas e seus colaboradores descrevem melhorias nos fios de alta tecnologia que eles inventaram, chamados de “twistrons”, que geram eletricidade quando esticados ou torcidos. Sua nova versão é construída como lã tradicional ou fios de algodão.
Twistrons costurados em tecidos podem sentir e colher o movimento humano; quando implantados em água salgada, os twistrons podem coletar energia do movimento das ondas do mar; e os twistrons podem até carregar supercapacitores.
Descrito pela primeira vez por pesquisadores da UTD em um estudo publicado em 2017 na revista Ciência, twistrons são construídos a partir de nanotubos de carbono (CNTs), que são cilindros ocos de carbono 10.000 vezes menores em diâmetro do que um cabelo humano. Para fazer twistrons, os nanotubos são torcidos em fibras ou fios leves e de alta resistência, nos quais os eletrólitos também podem ser incorporados.
Versões anteriores de twistrons eram altamente elásticas, o que os pesquisadores conseguiram introduzindo tanta torção que os fios se enrolam como um elástico torcido. A eletricidade é gerada pelos fios enrolados, esticando-os e soltando-os repetidamente, ou torcendo-os e destorcendo-os.
No novo estudo, a equipe de pesquisa não torceu as fibras a ponto de enrolar. Em vez disso, eles entrelaçaram três fios individuais de fibras de nanotubos de carbono para fazer um único fio, semelhante à forma como os fios convencionais usados em têxteis são construídos – mas com um toque diferente.
“Os fios dobrados usados em têxteis normalmente são feitos com fios individuais que são torcidos em uma direção e depois dobrados juntos na direção oposta para fazer o fio final. Essa construção heteroquiral fornece estabilidade contra destorção”, disse o Dr. Ray Baughman, diretor da o Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute na UT Dallas e o autor correspondente do estudo.
“Em contraste, nossos twistrons dobrados de nanotubos de carbono de mais alto desempenho têm a mesma disposição de torção e dobra – eles são homoquirais em vez de heteroquirais”, disse Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair em Química na Escola de Ciências Naturais Ciências e Matemática.
Em experimentos com os fios CNT dobrados, os pesquisadores demonstraram uma eficiência de conversão de energia de 17,4% para colheita de energia de tração (alongamento) e 22,4% para colheita de energia de torção (torção). Versões anteriores de seus twistrons enrolados atingiram uma eficiência máxima de conversão de energia de 7,6% para coleta de energia de tração e torção.
“Esses twistrons têm uma potência mais alta por peso da colheitadeira em uma ampla faixa de frequência – entre 2 Hz e 120 Hz – do que o relatado anteriormente para qualquer colheitadeira de energia mecânica baseada em material não twistron”, disse Baughman.
Baughman disse que o desempenho aprimorado dos twistrons dobrados resulta da compressão lateral do fio ao esticar ou torcer. Este processo coloca as camadas em contato umas com as outras de uma forma que afeta as propriedades elétricas do fio.
“Nossos materiais fazem algo muito incomum”, disse Baughman. “Quando você os estica, em vez de se tornarem menos densos, eles se tornam mais densos. Essa densificação aproxima os nanotubos de carbono e contribui para sua capacidade de captação de energia. Temos uma grande equipe de teóricos e experimentalistas tentando entender mais completamente por que nós obter resultados tão bons.”
Os pesquisadores descobriram que a construção do fio a partir de três camadas forneceu o desempenho ideal.
A equipe conduziu vários experimentos de prova de conceito usando twistrons de três camadas. Em uma demonstração, eles simularam a geração de eletricidade a partir das ondas do mar, prendendo um twistron de três camadas entre um balão e o fundo de um aquário cheio de água salgada. Eles também organizaram vários twistrons dobrados em uma matriz pesando apenas 3,2 miligramas e os esticaram repetidamente para carregar um supercapacitor, que então tinha energia suficiente para alimentar cinco pequenos diodos emissores de luz, um relógio digital e um sensor digital de umidade/temperatura.
A equipe também costurou os fios CNT em um remendo de tecido de algodão que foi então enrolado no cotovelo de uma pessoa. Sinais elétricos foram gerados quando a pessoa dobrou repetidamente o cotovelo, demonstrando o uso potencial das fibras para detectar e colher o movimento humano.
Os pesquisadores solicitaram uma patente com base na tecnologia.
Outros pesquisadores do NanoTech Institute envolvidos no trabalho são os co-autores Dr. Mengmeng Zhang, pesquisador associado, e Dr. Wenting Cai, ex-cientista visitante; Zhong Wang PhD’21, pesquisador associado; Dr. Shaoli Fang, professor de pesquisa associado; Dr. Ali E. Aliev, professor de pesquisa; Dr. Anvar Zakhidov, vice-diretor do instituto e professor de física; e Dr. Jiyoung Oh, cientista pesquisador. Outros colaboradores da UTD foram Runyu Zhang, estudante de doutorado em engenharia mecânica, e Dr. Hongbing Lu, professor de engenharia mecânica.
Pesquisadores da Xi’an Jiaotong University e da Wuhan University na China, da Hanyang University na Coréia do Sul e do Lintec of America Inc.’s Nano-Science & Technology Center também contribuíram.
As fontes de financiamento da pesquisa incluem a Marinha dos EUA, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, a Fundação Welch, a Fundação Nacional de Ciência e o Departamento de Energia.
Com informações de Science Daily.
