Neuer Höchststand

Universität von Texas in Dallas

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Forscher der University of Texas in Dallas (UTD) und ihre Kollegen haben eine neue und verbesserte Art von High-Tech-Garn namens „Twistrons“ entwickelt, das beim Strecken oder Verdrehen Strom erzeugt, heißt es in einer am Donnerstag veröffentlichten Pressemitteilung der Institution.

Die neue Innovation ähnelt herkömmlichem Woll- oder Baumwollgarn, verfügt jedoch über die Fähigkeit, mechanische Bewegung in Elektrizität umzuwandeln. Die Entdeckung ist nicht ganz neu. Es wurde erstmals von UTD-Forschern in einer 2017 veröffentlichten Studie beschrieben, aber diese neue Version verbessert das Original, indem sie deutlich effizienter ist.

Diese früheren Versionen von Twistrons waren hochelastisch und konnten Strom erzeugen, indem sie wiederholt gedehnt und freigegeben oder gedreht und entdreht wurden.

In der neuen Studie verdrehte das Forscherteam die Fasern jedoch nicht bis zum Aufrollen, sondern konzentrierte sich stattdessen auf die Verflechtung von drei einzelnen Strängen gesponnener Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern zu einem einzigen Garn.

„In Textilien verwendete gezwirnte Garne bestehen typischerweise aus einzelnen Strängen, die in eine Richtung gedreht und dann in die entgegengesetzte Richtung zusammengezwirnt werden, um das endgültige Garn herzustellen“, sagte Dr. Ray Baughman, Direktor des Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute bei UT Dallas und der entsprechende Autor der Studie.

„Diese heterochirale Konstruktion bietet Stabilität gegen Aufdrehen.“

„Im Gegensatz dazu weisen unsere leistungsstärksten Twistrons mit Kohlenstoffnanoröhren die gleiche Verdrillung und Verdrehung auf – sie sind eher homochiral als heterochiral“, sagte Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry an der School of Natural Naturwissenschaften und Mathematik.

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Anschließend testeten die Forscher die neuen Garne durch Experimente und stellten fest, dass sie einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 17,4 Prozent bei der Zugenergiegewinnung (Strecken) und 22,4 Prozent bei der Torsionsenergiegewinnung (Drehen) aufwiesen. Das war deutlich mehr als bei älteren Modellen (7,6 Prozent).

„Diese Twistrons haben über einen weiten Frequenzbereich – zwischen 2 Hz und 120 Hz – eine höhere Leistungsabgabe pro Erntemaschinengewicht als bisher für alle materialbasierten mechanischen Energieerntemaschinen ohne Twistron berichtet“, sagte Baughman.

Baughman erklärte, dass es seinem Team gelungen sei, die Leistung der gezwirnten Twistrons zu steigern, indem es beim Strecken oder Verdrehen eine seitliche Kompression des Garns einführte. Dieses neue Verfahren ermöglicht den Kontakt der Lagen untereinander auf eine Weise, die sich auf die elektrischen Eigenschaften des Garns auswirkt.

„Unsere Materialien bewirken etwas sehr Ungewöhnliches“, erklärte Baughman.

„Wenn man sie dehnt, werden sie nicht weniger dicht, sondern dichter. Diese Verdichtung drückt die Kohlenstoffnanoröhren enger zusammen und trägt zu ihrer Fähigkeit zur Energiegewinnung bei.“

„Wir haben ein großes Team von Theoretikern und Experimentatoren, die versuchen, besser zu verstehen, warum wir so gute Ergebnisse erzielen“, fügte er hinzu.

Die neuen Garne können auch zur Erfassung und Erfassung menschlicher Bewegungen verwendet werden. In einem Experiment nähte das Team die Garne in einen Baumwollstoffflicken, der dann um den Ellenbogen einer Person gewickelt wurde. Elektrische Signale wurden erzeugt, als die Person wiederholt ihren Ellbogen beugte.

Die Forscher haben nun ein Patent angemeldet. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Zur Gewinnung mechanischer Energie sind verbesserte Methoden erforderlich. Aufgerollte Kohlenstoffnanoröhrengarne, sogenannte Twistrons, nutzen dehnungsinduzierte Änderungen der elektrochemischen Kapazität, um mechanische Energie in Elektrizität umzuwandeln. Die Dehnung des Garns führt zu so großen lateralen Poisson-Verhältnissen, dass die Garne stark dehnungsverdichtet werden, was zur Ernte beiträgt. Hier berichten wir über gezwirnte statt gewickelte Twistrons, die die Energieumwandlungseffizienz der Garne von 7,6 % auf 17,4 % für die Dehnung und auf 22,4 % für die Drehung erhöhen. Dies wird auf zusätzliche Erntemechanismen durch Garndehnung und seitliche Verformungen zurückgeführt. Für die Energiegewinnung zwischen 2 und 120 Hz weist unser mehrlagiges Twistron eine höhere gravimetrische Spitzenleistung und Durchschnittsleistung auf, als für materialbasierte mechanische Energieerntemaschinen ohne Twistron berichtet wurde. Wir nähen die Twistrons in Textilien ein, um menschliche Bewegungen zu erfassen und zu erfassen, setzen sie in Salzwasser ein, um Meereswellenenergie zu gewinnen, und nutzen sie zum Laden von Superkondensatoren.