研究人员演示了可收集机械能的新型碳纳米管纱线

德克萨斯大学达拉斯分校的纳米技术研究人员制造出新型碳纳米管纱线，与其他基于材料的能量收集器相比，它可以更有效地将机械运动转化为电能。

在1月26日发表在《自然能源》杂志上的一项研究中，德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员和他们的合作者描述了他们发明的高科技纱线的改进，这种纱线被称为“双绞线”，在拉伸或扭曲时发电。他们的新版本的结构很像传统的羊毛或棉纱。

缝在纺织品中的扭曲子可以感知和收集人体运动;当部署在盐水中时，扭创管可以从海浪的运动中获取能量;twistrons甚至可以为超级电容器充电。

UTD研究人员在2017年发表在《科学》杂志上的一项研究中首次描述了扭绞管，它是由碳纳米管(CNT)构成的，碳纳米管是直径比人类头发小10,000倍的空心碳圆柱体。为了制造双绞线，纳米管被捻纺成高强度、轻质纤维或纱线，其中也可以掺入电解质。

以前版本的双绞线具有高弹性，研究人员通过引入如此多的捻度使纱线像过度加捻的橡皮筋一样盘绕，从而实现了这一点。盘绕的纱线通过反复拉伸和松开，或通过加捻和解捻来产生电力。

在这项新研究中，研究小组并没有将纤维扭曲到盘绕的程度。相反，他们将三股纺成的碳纳米管纤维缠绕在一起制成单根纱线，类似于纺织品中使用的传统纱线的构造方式——但捻度不同。

“纺织品中使用的合股纱通常由单根股线制成，这些股线在一个方向上加捻，然后在相反的方向上合股在一起制成最终纱线。这种异手性结构提供了抗退捻的稳定性，”RayBaughman博士说，他是UTDallas的AlanG.MacDiarmidNanoTechInstitute和该研究的通讯作者。

“相比之下，我们性能最高的碳纳米管合股扭曲管具有相同的扭曲和合股手性——它们是同手性而不是异手性，”鲍曼说，他是自然科学学院罗伯特·A·韦尔奇化学特聘和数学。

在使用合股CNT纱线进行的实验中，研究人员展示了拉伸(拉伸)能量收集的能量转换效率为17.4%，扭转(加捻)能量收集的能量转换效率为22.4%。他们的早期版本的盘绕双绞线在拉伸和扭转能量收集方面达到了7.6%的峰值能量转换效率。

Baughman说：“这些双绞管在2赫兹到120赫兹之间的宽频率范围内，单位能量收集器重量的功率输出高于之前报道的任何非双绞管、基于材料的机械能量收集器。”

Baughman说，合股捻线机性能的改进源于纱线在拉伸或加捻时的横向压缩。这个过程使帘布层以一种影响纱线电气性能的方式相互接触。

“我们的材料做了一些非常不寻常的事情，”鲍曼说。“当你拉伸它们时，它们不会变得不那么致密，而是变得更致密。这种致密化将碳纳米管推得更近，并有助于它们的能量收集能力。我们有一大批理论家和实验家试图更全面地理解为什么我们取得这么好的成绩。”

研究人员发现，由三层构成的纱线提供了最佳性能。

该团队使用三层双绞线进行了几次概念验证实验。在一次演示中，他们通过在气球和装满盐水的水族箱底部之间连接一个三层螺旋管来模拟海浪发电。他们还将多个螺旋管排列成一个仅重3.2毫克的阵列，并反复拉伸它们为超级电容器充电，然后超级电容器就有足够的能量为五个小型发光二极管、一个数字手表和一个数字湿度/温度传感器供电。

该团队还将CNT纱线缝制成棉布贴片，然后将其缠绕在人的肘部。当人反复弯曲肘部时会产生电信号，表明纤维可用于感测和收集人体运动。

研究人员已基于该技术申请了专利。