Исследователи из Техасского университета в Далласе создали нити из углеродных нанотрубок, которые преобразуют механическое движение в электричество более эффективно, чем другие подобные устройства для сбора энергии. Работа стала продолжением изучения «твистронов» (twistron) — скрученных в жгут углеродных нанотрубок, которые учёные представили пять лет назад. Оказалось, что нити лучше скручивать по три, что значительно повышает выход энергии.
Три нанотрубки лучше, чем одна. Источник изображения: The University of Texas at Dallas
Новая работа опубликована в журнале Nature Energy и стала продолжением публикации 2017 года. Раньше группа работала над скрученными в жгут одиночными углеродными нанотрубками, а в новой работе они проследили за характеристиками «пряжи» из трёх скрученных в один жгут нанотрубок.
Электричество в данном случае вырабатывается из механических действий, когда трубка или жгут из трубок растягиваются или раскручиваются. В этом проявляются пьезоэлектрические эффекты, когда механические деформации ведут к появлению разности потенциала и течению тока. Для этого, в частности, в углеродных нанотрубках должен быть электролит внутри или снаружи. Учёные поступили проще — они заполнили нанотрубки твёрдым полимерным составом со свойствами электролита (немногие и не в любом климате захотят ходить в мокрой рубашке или футболке, хотя электролитом может быть пот человека).
Эксперименты показали, что оптимальная для получения электричества пряжа из нанотрубок получается при скручивании трёх нитей. В этом случае при растяжении или раскручивании на боковые стенки соседних нитей оказывается дополнительное (и оптимальное) усилие, повышающее выработку электричества. При растяжении жгут из трёх нитей показал эффективность преобразования механических усилий в электричество на уровне 17,4 %, а при кручении — 22,4 %. Скрученные одиночные нити в обоих случаях показывали эффективность на уровне 7,6 %.
«Эти твистроны [тройные скрученные углеродные нанотрубки] имеют более высокую выходную мощность на вес устройства для сбора энергии в широком диапазоне частот — от 2 Гц до 120 Гц — чем ранее сообщалось для любого механического генератора на основе материалов, не относящихся к твистронам», — сказал один из авторов исследования.
Группа на практике испытала улучшенные твистроны, опробовав добычу электричества из энергии волн (нить удерживала шарик на воде с креплением ко дну аквариума), создала зарядное устройство из твистронов весом 3,2 мг, которое после многократного растягивания зарядило суперконденсатор и питало электронные часы и светодиодный фонарик, а также придумала пластырь для локтевого изгиба руки человека, который вырабатывал электричество. Решение оказалось настолько удачным, что исследователи подали заявку на патент на своё изобретение.