Un nouveau fil de nanotubes de carbone récolte de l’énergie mécanique

Des chercheurs en nanotechnologie de l'Université du Texas à Dallas ont créé de nouveaux fils de nanotubes de carbone qui convertissent le mouvement mécanique en électricité plus efficacement que d'autres récupérateurs d'énergie basés sur des matériaux.

Dans une étude publiée le 26 janvier dans Nature Energy, des chercheurs de l'UT Dallas et leurs collaborateurs décrivent les améliorations apportées aux fils de haute technologie qu'ils ont inventés, appelés « twistrons », qui génèrent de l'électricité lorsqu'ils sont étirés ou tordus. Leur nouvelle version est construite un peu comme des fils de laine ou de coton traditionnels.

Les twistrons cousus dans les textiles peuvent détecter et capter le mouvement humain ; lorsqu'ils sont déployés dans l'eau salée, les twistrons peuvent récupérer l'énergie du mouvement des vagues océaniques ; et les twistrons peuvent même charger des supercondensateurs.

Décrits pour la première fois par des chercheurs de l'UTD dans une étude publiée en 2017 dans la revue Science, les twistrons sont construits à partir de nanotubes de carbone (CNT), qui sont des cylindres creux de carbone d'un diamètre 10 000 fois plus petit qu'un cheveu humain. Pour fabriquer des twistrons, les nanotubes sont filés en fibres ou fils légers et à haute résistance, dans lesquels des électrolytes peuvent également être incorporés.

Les versions précédentes des twistrons étaient très élastiques, ce que les chercheurs ont accompli en introduisant tellement de torsion que les fils s'enroulent comme un élastique trop tordu. L'électricité est générée par les fils enroulés en les étirant et en les relâchant de manière répétée, ou en les tordant et en les détordant.

Dans la nouvelle étude, l’équipe de recherche n’a pas tordu les fibres au point de les enrouler. Au lieu de cela, ils ont entrelacé trois brins individuels de fibres de nanotubes de carbone filées pour créer un seul fil, de la même manière que les fils conventionnels utilisés dans les textiles sont construits – mais avec une torsion différente.

« Les fils retors utilisés dans les textiles sont généralement constitués de brins individuels torsadés dans un sens, puis retors ensemble dans le sens opposé pour former le fil final. Cette construction hétérochirale offre une stabilité contre la détorsion », a déclaré le Dr Ray Baughman, directeur de l'Institut Alan G. MacDiarmid NanoTech de l'UT Dallas et auteur correspondant de l'étude.

"En revanche, nos twistrons à nanotubes de carbone les plus performants ont la même torsion et le même pliage - ils sont homochiraux plutôt qu'hétérochiraux", a déclaré Baughman, titulaire de la chaire distinguée Robert A. Welch en chimie à l'École des sciences naturelles. et mathématiques.

Lors d'expériences avec les fils retors de CNT, les chercheurs ont démontré une efficacité de conversion d'énergie de 17,4 % pour la récupération d'énergie de traction (étirement) et de 22,4 % pour la récupération d'énergie de torsion (torsion). Les versions précédentes de leurs twistrons enroulés atteignaient un rendement de conversion d'énergie maximal de 7,6 % pour la récupération d'énergie de traction et de torsion.

"Ces twistrons ont une puissance de sortie par poids de récolteuse plus élevée sur une large plage de fréquences - entre 2 hertz et 120 hertz - que ce qui avait été rapporté précédemment pour tout récolteur d'énergie mécanique sans twistron et à base de matériaux", a déclaré Baughman.

« Nos matériaux font quelque chose de très inhabituel. Lorsque vous les étirez, au lieu de devenir moins denses, ils deviennent plus denses. Cette densification rapproche les nanotubes de carbone et contribue à leur capacité à récolter de l’énergie.

Dr Ray Baughman, titulaire de la chaire distinguée Robert A. Welch en chimie à l'École des sciences naturelles et des mathématiques

Baughman a déclaré que les performances améliorées des twistrons retors résultent de la compression latérale du fil lors de l'étirement ou de la torsion. Ce processus met les plis en contact les uns avec les autres d'une manière qui affecte les propriétés électriques du fil.

"Nos matériaux font quelque chose de très inhabituel", a déclaré Baughman. « Quand on les étire, au lieu de devenir moins denses, ils deviennent plus denses. Cette densification rapproche les nanotubes de carbone et contribue à leur capacité à récolter de l’énergie. Nous disposons d’une grande équipe de théoriciens et d’expérimentateurs qui tentent de comprendre plus complètement pourquoi nous obtenons de si bons résultats.