高科技斜纹纱线 可从运动中获得能量发电

THE UNIVERSITY OF TEXAS AT DALLAS

一项新的研究发现，用碳纳米管制成的新型纱线比迄今为止任何其他材料都能更好地利用机械能发电。

这种高科技纱线被称为“Twistron”，可以缝在衣服上，通过人体运动产生电力，也可以部署在海洋中，从海浪中获取能量。

电磁发电机基本上起着电动机反向运行的作用，长期以来一直被用于将机械能从风能和水能转换为电能。尽管它们在大规模上表现良好，但在小规模上表现较差。因此，研究人员研究了多种材料来获取机械能，例如，利用身体运动为可穿戴电子设备提供动力。

大约五年前，科学家首次报道了twistron的发明。通过将碳纳米管纺成高强度、轻质的纤维来制造这些材料，这些纤维还可以加入电解质。加捻或拉伸这些纱线会增加它们的密度，进而产生一个电压来驱动电流。

“我们未来的梦想是能够利用twistron收集海洋中的机械能，为城市提供动力，”研究高级作者、德克萨斯大学达拉斯分校材料科学家Ray Baughma说。

先前的研究发现，当从频率在0.1至30赫兹之间的拉伸运动中获取能量时，twistron显示出了任何材料中最高的峰值功率。这使得它们在广泛的应用中具有潜在的吸引力，例如从衣服或海洋中产生能量。然而，先前的twistron数据显示在扭曲或拉伸时的能量转换效率最多为7.6%。

在这项新的研究中，研究人员试图显著提高twistron的效率。他们现在已经实现了17.4%的拉伸效率和22.4%的扭转效率。

Baughman说：“我们看到了其效率的显著提高。”

在这项新的研究中，科学家们通过将三股单独的碳纳米管纤维交织成一股纱线，从而创造出了纱线，这与传统的羊毛或棉纱线的构造非常相似。

传统纱线通常由沿一个方向扭曲的股线制成，然后沿相反方向捻合在一起以制成最终纱线。这种异形结构提供了抗扭转的稳定性。然而，在实验中，研究人员发现了同手性纱线的最佳性能，这些纱线的股线在同一方向上扭曲和合股。Baughman说，“这种设计导致当纱线被拉伸时，纱线的横向密度大大增加。这会增加电压和电流。”

总而言之，当涉及到从频率大于2赫兹的运动中获取能量时，twistron的平均功率和峰值功率大大超过任何其他已知材料。研究人员表示，它们在较宽的频率范围内也显示出比任何其他已知材料更高的功率输出。

在概念验证实验中，研究人员展示了一个只有3.2毫克重的扭曲管阵列可以为超级电容器充电，而超级电容器又可以为五个小型LED、一个电子手表或带有2.8英寸液晶显示器的电子湿度和温度传感器供电。他们还将twistron缝在一块棉质织物上，然后将其包裹在人的肘部，进而可以通过弯曲手臂产生电力，用于传感和能量收集。

此外，科学家们还通过在气球和装满盐水的水族馆底部之间连接twistron，探索利用海浪发电。他们发现，在模拟规则波或湍流的情况下，它可以提供每千克约15至17瓦的平均功率。

Baughman指出，在从极低频运动中获取能量方面，有一种被称为介电弹性体的材料在平均功率方面更好。然而，他补充道，这些设备也需要大约1000伏特的输入电力才能工作，而新的twistron只需要电解质提供的电荷就可以工作。

Baughman说：“未来，我们想让twistron更便宜。”他指出，尽管目前twistron对于波浪能应用来说可能过于昂贵，但它们仍或可用于较小规模的应用，如传感器和服装。Baughman补充道：“我们也在研究碳纳米管以外的材料。”

科学家们在1月26日的《自然能源》杂志（https://www.nature.com/articles/s41560-022-01191-7）上详细介绍了他们的发现。他们已经申请了这项技术的专利。