新しいカーボン ナノチューブ糸が機械エネルギーを収集

テキサス大学ダラス校のナノテクノロジー研究者は、他の材料ベースのエネルギーハーベスターよりも効果的に機械的動きを電気に変換する新しいカーボン ナノチューブ糸を作成しました。

1月26日にNature Energy誌に掲載された研究論文の中で、UTダラスの研究者とその共同研究者らは、彼らが発明した「ツイストロン」と呼ばれるハイテク糸の改良について説明している。この糸は、伸ばしたりねじったりすると電気を発生する。 新しいバージョンは、従来のウールや綿の糸とよく似た構造になっています。

繊維に縫い込まれたツイストロンは人間の動きを感知して収集できます。 ツイストロンを海水中に展開すると、海の波の動きからエネルギーを得ることができます。 ツイストロンはスーパーキャパシタを充電することもできます。

2017年にサイエンス誌に掲載された研究でUTDの研究者らによって初めて説明されたツイストロンは、直径が人間の髪の毛の1万分の1の炭素の中空円筒であるカーボンナノチューブ（CNT）から作られている。 ツイストロンを製造するには、ナノチューブを撚り紡いで高強度で軽量の繊維または糸にし、そこに電解質を組み込むこともできます。

以前のバージョンのツイストロンは弾性が高く、研究者らは糸がねじれすぎたゴムバンドのようにコイル状になるほど多くのねじれを導入することでこれを実現しました。 コイル状の糸を伸ばしたり緩めたり、ねじったり戻したりを繰り返すことで電気が発生します。

新しい研究では、研究チームはコイル状になるまで繊維をねじりませんでした。 代わりに、紡績されたカーボン ナノチューブ繊維の 3 本の個別のストランドを絡み合わせて 1 本の糸を作りました。これは、織物に使用される従来の糸の製造方法と似ていますが、撚り方が異なります。

「織物に使用される撚り糸は通常、一方向に撚られた個々のストランドで作られ、その後反対方向に撚り合わされて最終的な糸が作られます。 このヘテロキラル構造は、ねじれ戻りに対する安定性を提供します」とテキサス大学ダラス校のアラン G. マクダーミッド ナノテック研究所所長であり、この研究の責任著者であるレイ ボーマン博士は述べています。

「対照的に、当社の最高性能のカーボンナノチューブを積層したツイストロンは、ねじれと撚りが同じ利き方をしています。ヘテロキラルではなくホモキラルです」と、自然科学部化学部門のロバート・A・ウェルチ特別委員長のボーマン氏は述べた。そして数学。

CNT 撚糸を用いた実験で、研究者らは、引張 (伸張) エネルギー ハーベスティングでは 17.4%、ねじり (ねじれ) エネルギー ハーベスティングでは 22.4% のエネルギー変換効率を実証しました。 同社のコイル状ツイストロンの以前のバージョンは、引張エネルギーとねじりエネルギーハーベスティングの両方で 7.6% のピークエネルギー変換効率に達しました。

「これらのツイストロンは、これまでに報告されている非ツイストロンの材料ベースの機械式エネルギーハーベスタよりも、2ヘルツから120ヘルツの広い周波数範囲にわたって、ハーベスタ重量当たりの出力が高いです」とボーマン氏は述べた。

「私たちの材料は非常に珍しいことをします。 伸ばすと、密度が下がるのではなく、密度が高くなります。 この高密度化によりカーボン ナノチューブが互いに接近し、エネルギー収穫能力に貢献します。」

レイ・ボーマン博士、ロバート・A・ウェルチ自然科学・数学学部化学部門特別委員長

ボーマン氏は、撚り合わせツイストロンの性能向上は、糸を伸ばしたりねじったりする際の横方向の圧縮によってもたらされると述べた。 このプロセスにより、糸の電気特性に影響を与える形でプライが互いに接触します。

「私たちの材料は非常に珍しいことをします」とボーマン氏は言いました。 「生地を伸ばすと、密度が下がるのではなく、密度が高くなります。 この高密度化によりカーボン ナノチューブが互いに接近し、エネルギー収穫能力に貢献します。 私たちには理論家と実験家の大規模なチームがあり、なぜこれほど良い結果が得られるのかをより完全に理解しようとしています。」