カーボンナノチューブ糸は機械エネルギーを収集します...

テキサス大学ダラス校の研究者らは、他の材料ベースのエネルギーハーベスターよりも効率的に機械的な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たと述べている。 従来のウールやコットンの糸とよく似た構造の、「ツイストロン」と呼ばれる新しいカーボン ナノチューブ (CNT) 紡績糸は、伸ばしたりねじったりすると電気を発生します。

織物に縫い付けられたツイストロンは、人間の動きを感知して収集することができます。 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。 そして研究者らによれば、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るという。

「私たちの材料は、非常に珍しいことをします」と、テキサス大学ダラス校のアラン・G・マクディアミッド・ナノテック研究所所長であり、この研究に関する研究の責任著者であるレイ・ボーマン博士は言う。 「カーボン ナノチューブを引き伸ばすと、密度が低くなるのではなく、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近づき、カーボン ナノチューブのエネルギー回収能力に貢献します。」

ツイストロンは、直径が人間の髪の毛の 10,000 倍小さい炭素の中空シリンダーである CNT から作られています。 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。

研究者らによると、新しいツイストロンバージョンでは、コイル状になるまで繊維をねじらなかったという。 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、繊維製品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。

「繊維製品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から作られ、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」とボーマン氏は言います。 「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。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。」

実験では、CNT 撚糸は、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。 研究者のコイル状ツイストロンの以前のバージョンは、引張エネルギー収集とねじりエネルギー収集の両方で 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、2 ヘルツから 120 ヘルツまでの広い周波数範囲にわたって、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、ハーベスタ重量あたりの出力が高くなります」とボーマン氏は述べています。

研究者らによると、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いう。 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。

研究者らは、糸を 3 層から構成することで最適な性能が得られることを発見しました。 3 層ツイストロンを使用していくつかの概念実証実験が行われました。あるデモンストレーションでは、研究者らは風船と塩水で満たされた水槽の底の間に 3 層ツイストロンを取り付けて、海の波からの発電をシミュレートしました。

また、重さわずか 3.2 ミリグラムの複数のツイストロンをアレイ状に配置し、繰り返し引き伸ばしてスーパーキャパシタを充電しました。これにより、5 つの小型発光ダイオード、デジタル時計、デジタル湿度/温度センサーに電力を供給するのに十分なエネルギーが得られました。

研究者らはまた、CNT糸を綿布パッチに縫い付け、それを人の肘に巻き付けた。 人間が繰り返し肘を曲げると電気信号が生成され、人間の動きを感知して収集するためにファイバーが使用される可能性があることが実証されました。

研究者らは、この技術に基づいて特許を申請したと述べた。 詳細については、「ホモキラルに撚られたカーボン ナノチューブ ヤーンをベースとした、引張効率 17.4% とねじれ効率 22.4% を備えた機械式エネルギー ハーベスタ」を参照してください。