Zhong Wang PhD’21, chercheur associé à l’Institut Alan G. MacDiarmid NanoTech de l’UT Dallas, montre un gant dans lequel il a cousu des fibres twistron, qui sont des fils récupérateurs d’énergie fabriqués à partir de nanotubes de carbone qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont étirés à plusieurs reprises. Les chercheurs ont affiné les processus de fabrication des fils, ce qui a donné des fibres plus efficaces et produisant plus d’électricité par cycle d’étirement que la version précédente.
Un groupe de chercheurs de l’Université du Texas à Dallas et leurs collègues ont apporté des améliorations significatives aux fils de récupération d’énergie qu’ils ont inventés, appelés twistrons, qui sont fabriqués à partir de nanotubes de carbone et produisent de l’électricité lorsqu’ils sont étirés à plusieurs reprises.
Les chercheurs décrivent les twistrons améliorés et certaines applications potentielles de la technologie dans un article publié dans le numéro imprimé du 7 juillet de Advanced Materials .
Dans une expérience de preuve de principe, Zhong Wang PhD’21, auteur principal de l’article et associé de recherche à l’ Institut Alan G. MacDiarmid NanoTech de l’UT Dallas, a cousu les nouveaux fils twistron dans un gant. Alors que quelqu’un portant le gant formait différentes lettres et phrases en langue des signes américaine, les gestes de la main produisaient de l’électricité.
« Sur la base des profils de tension de sortie, nous pouvons facilement différencier le mouvement des doigts de différentes lettres et phrases, et nous pouvons potentiellement utiliser ce gant comme traducteur de langue des signes auto-alimenté », a déclaré Wang, dont la recherche doctorale à l’UTD s’est concentrée sur les nanotubes de carbone. fils et récupérateurs d’énergie. Il a remporté le prix de la meilleure thèse à l’ École des sciences naturelles et des mathématiques en 2022 pour ce travail.
Alors que quelqu’un portant le gant formait différentes lettres et phrases en langue des signes américaine, les gestes de la main généraient des signaux électriques distinctifs.
Dirigé par le Dr Ray Baughman , directeur de l’Institut NanoTech et titulaire de la Chaire distinguée Robert A. Welch en chimie, le groupe de recherche a présenté pour la première fois sa technologie twistron dans la revue Science en 2017. Depuis lors, l’équipe a affiné les processus qu’ils utilisent pour fabriquer les fils, et cela a abouti à des fibres plus efficaces et qui produisent plus d’électricité par cycle d’étirement que la version précédente.
« La récupération d’énergie est un domaine d’une importance cruciale, d’autant plus que nous recherchons des alternatives à la combustion de combustibles fossiles. Nous aimerions récolter de l’énergie à partir de toutes les sources disponibles », a déclaré Baughman, l’auteur correspondant du dernier article.
Certaines des applications potentielles des twistrons incluent la récupération de l’énergie des vagues océaniques pour alimenter des capteurs ou éventuellement pour aider à alimenter les villes, a-t-il déclaré, ainsi que l’utilisation des mouvements du corps pour alimenter des appareils portables.
« Si vous avez un robot humanoïde et que vous voulez savoir quels muscles se sont contractés et s’ils fonctionnent correctement, vous pouvez incorporer des fibres très fines de nos moissonneuses twistron afin que lorsque le muscle change de dimension, il étire le twistron, qui génère de l’électricité. « , a déclaré Baughman. « Cette électricité peut être mesurée, ce qui peut vous dire à quel point ce muscle a changé de dimension. »
Les twistrons sont construits à partir de nanotubes de carbone , qui sont des cylindres creux de carbone dont le diamètre est 10 000 fois plus petit qu’un cheveu humain. Les nanotubes sont filés par torsion en fils légers à haute résistance. Pour rendre les fils hautement élastiques, les chercheurs introduisent tellement de torsion que les fils s’enroulent comme un élastique trop torsadé.
« Nous avons constaté que l’optimisation de l’alignement des nanotubes – la quantité de surface sur laquelle ils interagissent – peut augmenter considérablement le changement de capacité et augmenter considérablement la tension de sortie. »
Zhong Wang PhD’21
L’ article Advanced Materials décrit comment Wang et ses collègues ont amélioré les performances des twistrons en incorporant plusieurs innovations dans le processus de fabrication.
« Le mécanisme de base de ces twistrons est que lorsque vous les étirez, les faisceaux de nanotubes de carbone individuels entrent en contact les uns avec les autres, augmentant la densité d’électrons dans le matériau, ce qui augmente la tension de sortie », a déclaré Wang. « Sur la base de cette compréhension, nous avons constaté que l’optimisation de l’alignement des nanotubes – la quantité de surface sur laquelle ils interagissent – peut augmenter considérablement le changement de capacité et augmenter considérablement la tension de sortie. »
Les chercheurs ont également incorporé du graphène dans le processus de fabrication. Le graphène est une feuille de carbone 2D d’une épaisseur d’un atome.
« Nous commençons par tirer une feuille de nanotubes de carbone d’un réseau de nanotubes alignés verticalement, appelé une forêt », a déclaré Zhong Wang. « Dans ces nouvelles expériences, nous avons ajouté une étape : nous avons déposé du graphène sur cette feuille, puis l’avons tordue et enroulée en fils. Cela a considérablement amélioré le changement de capacité et la quantité d’électricité que nous pouvons récolter à partir des twistrons résultants.
Un processus de recuit amélioré a également contribué à augmenter la sortie des twistrons, a déclaré Zhong Wang.
Alors que Zhong Wang PhD’21 tient sa main gantée sous une caméra, le moniteur affiche une image agrandie montrant les fibres de twistron sombres qu’il a cousues dans le gant.
L’étirement des nouveaux fils twistron enroulés 30 fois par seconde (30 hertz) a généré 3,19 kilowatts par kilogramme de puissance électrique de pointe, une augmentation de douze fois par rapport aux valeurs les plus élevées rapportées par d’autres chercheurs pour les récupérateurs d’énergie mécanique alternatifs pour des fréquences comprises entre 0,1 hertz et 600 hertz.
L’efficacité de conversion d’énergie maximale obtenue avec la dernière version de twistron était de 7,2 fois supérieure à celle des twistrons précédents, a déclaré Baughman. Les chercheurs ont déposé une demande de brevet sur la technologie.
D’autres chercheurs de l’Institut NanoTech impliqués dans les travaux sont le Dr Shaoli Fang, professeur-chercheur associé ; Dr Ali E. Aliev, professeur-chercheur; Dr Mengmeng Zhang, chercheur invité ; Dr Jiuke Mu, ancien professeur de recherche associé; et le Dr Anvar A. Zakhidov , directeur adjoint de l’institut et professeur de physique . Patrick Conlin MS’22, PhD’22, assistant de recherche en science et génie des matériaux, et le Dr Kyeongjae Cho , professeur de science et génie des matériaux , ont également participé à la recherche.
Des chercheurs – dont l’auteur co-correspondant, le Dr Seon Jeong Kim de l’Université de Hanyang – et d’autres de là-bas, ainsi que de l’Université fédérale de Pelotas, de l’Université Xi’an Jiaotong, de l’Université de Wuhan, de l’Université de Stanford et de Nano de Lintec of America Inc. -Le Centre des sciences et de la technologie a également contribué.
La recherche aux États-Unis a été soutenue par des subventions de l’US Navy, de l’Air Force Office of Scientific Research et de la Welch Foundation.
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