Novo fio de nanotubos de carbono colhe energia mecânica

Pesquisadores de nanotecnologia da Universidade do Texas em Dallas criaram novos fios de nanotubos de carbono que convertem o movimento mecânico em eletricidade de forma mais eficaz do que outros coletores de energia baseados em materiais.

Num estudo publicado a 26 de janeiro na Nature Energy, os investigadores da UT Dallas e os seus colaboradores descrevem melhorias nos fios de alta tecnologia que inventaram, chamados “twistrons”, que geram eletricidade quando esticados ou torcidos. Sua nova versão é construída de forma semelhante aos tradicionais fios de lã ou algodão.

Twistrons costurados em tecidos podem detectar e captar o movimento humano; quando implantados em água salgada, os twistrons podem coletar energia do movimento das ondas do oceano; e twistrons podem até carregar supercapacitores.

Descritos pela primeira vez por pesquisadores da UTD em um estudo publicado em 2017 na revista Science, os twistrons são construídos a partir de nanotubos de carbono (CNTs), que são cilindros ocos de carbono com diâmetro 10.000 vezes menor que um fio de cabelo humano. Para fazer twistrons, os nanotubos são torcidos em fibras ou fios leves e de alta resistência, nos quais eletrólitos também podem ser incorporados.

As versões anteriores dos twistrons eram altamente elásticas, o que os pesquisadores conseguiram ao introduzir tanta torção que os fios enrolaram como um elástico torcido demais. A eletricidade é gerada pelos fios enrolados, esticando-os e liberando-os repetidamente, ou torcendo-os e desenrolando-os.

No novo estudo, a equipe de pesquisa não torceu as fibras a ponto de enrolarem. Em vez disso, eles entrelaçaram três fios individuais de fibras fiadas de nanotubos de carbono para fazer um único fio, semelhante à forma como os fios convencionais usados ​​em têxteis são construídos – mas com uma torção 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 formar o fio final. Esta construção heteroquiral fornece estabilidade contra o desenrolamento”, disse o Dr. Ray Baughman, diretor do Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute na UT Dallas e autor correspondente do estudo.

"Em contraste, nossos twistrons dobrados em nanotubos de carbono de mais alto desempenho têm a mesma mão de torção e dobra - eles são homoquirais em vez de heteroquirais", disse Baughman, Presidente Distinto de Química da Robert A. Welch na Escola de Ciências Naturais. e Matemática.

Em experimentos com fios CNT dobrados, os pesquisadores demonstraram uma eficiência de conversão de energia de 17,4% para captação de energia de tração (alongamento) e 22,4% para captação de energia de torção (torção). As versões anteriores de seus twistrons enrolados atingiram uma eficiência máxima de conversão de energia de 7,6% para a coleta de energia de tração e torção.

“Esses twistrons têm uma potência maior por peso de colheitadeira em uma ampla faixa de frequência – entre 2 hertz e 120 hertz – do que relatado anteriormente para qualquer colheitadeira de energia mecânica baseada em material e não twistron”, disse Baughman.

“Nossos materiais fazem algo muito incomum. Quando você os estica, em vez de ficarem menos densos, eles ficam mais densos. Esta densificação aproxima os nanotubos de carbono e contribui para a sua capacidade de captação de energia.”

Ray Baughman, Cátedra Distinta Robert A. Welch em Química na Escola de Ciências Naturais e Matemática

Baughman disse que o melhor desempenho dos twistrons dobrados resulta da compressão lateral do fio durante o estiramento ou torção. 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 ficarem menos densos, eles ficam mais densos. Esta densificação aproxima os nanotubos de carbono e contribui para a sua capacidade de captação de energia. Temos uma grande equipe de teóricos e experimentalistas tentando entender mais completamente por que obtemos resultados tão bons.”