Il nuovo filato di nanotubi di carbonio raccoglie energia meccanica

I ricercatori di nanotecnologia dell’Università del Texas a Dallas hanno realizzato nuovi filati di nanotubi di carbonio che convertono il movimento meccanico in elettricità in modo più efficace rispetto ad altri raccoglitori di energia basati su materiali.

In uno studio pubblicato il 26 gennaio su Nature Energy, i ricercatori dell'UT Dallas e i loro collaboratori descrivono miglioramenti ai filati high-tech da loro inventati chiamati "twistron", che generano elettricità quando allungati o attorcigliati. La loro nuova versione è costruita in modo molto simile ai tradizionali filati di lana o cotone.

I twistron cuciti nei tessuti possono percepire e raccogliere il movimento umano; quando utilizzati in acqua salata, i twistron possono raccogliere energia dal movimento delle onde dell’oceano; e i twistron possono persino caricare i supercondensatori.

Descritti per la prima volta dai ricercatori dell'UTD in uno studio pubblicato nel 2017 sulla rivista Science, i twistron sono costruiti da nanotubi di carbonio (CNT), che sono cilindri cavi di carbonio con un diametro 10.000 volte più piccolo di un capello umano. Per produrre i twistron, i nanotubi vengono filati in fibre o filati leggeri e ad alta resistenza, nei quali possono essere incorporati anche gli elettroliti.

Le versioni precedenti dei twistron erano altamente elastiche, cosa che i ricercatori hanno ottenuto introducendo così tanta torsione che i fili si avvolgono come un elastico sovratorto. L'elettricità viene generata dai fili a spirale allungandoli e rilasciandoli ripetutamente, oppure torcendoli e svolgendoli.

Nel nuovo studio, il gruppo di ricerca non ha attorcigliato le fibre fino al punto di arrotolarle. Invece, hanno intrecciato tre singoli fili di fibre di nanotubi di carbonio filate per creare un unico filato, simile al modo in cui sono costruiti i filati convenzionali utilizzati nei tessili, ma con una svolta diversa.

“I filati ritorti utilizzati nei tessili sono generalmente realizzati con singoli fili ritorti in una direzione e poi ritorti insieme nella direzione opposta per realizzare il filato finale. Questa costruzione eterochirale fornisce stabilità contro lo srotolamento", ha affermato il dottor Ray Baughman, direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute dell'UT Dallas e autore corrispondente dello studio.

"Al contrario, i nostri twistron piegati con nanotubi di carbonio ad alte prestazioni hanno la stessa mano di torsione e piega: sono omochirali piuttosto che eterochirali", ha affermato Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry presso la School of Natural Sciences e matematica.

Negli esperimenti con i filati CNT ritorti, i ricercatori hanno dimostrato un'efficienza di conversione energetica del 17,4% per la raccolta di energia in trazione (allungamento) e del 22,4% per la raccolta di energia in torsione (torsione). Le versioni precedenti dei loro twistron a spirale raggiungevano un’efficienza di conversione energetica di picco del 7,6% sia per la raccolta di energia a trazione che a torsione.

"Questi twistron hanno una potenza in uscita più elevata per peso dell'harvester su un ampio intervallo di frequenze - tra 2 hertz e 120 hertz - rispetto a quanto precedentemente riportato per qualsiasi raccoglitore di energia meccanica non twistron e basato su materiali", ha affermato Baughman.

“I nostri materiali fanno qualcosa di molto insolito. Quando li allunghi, invece di diventare meno densi, diventano più densi. Questa densificazione avvicina i nanotubi di carbonio e contribuisce alla loro capacità di raccolta di energia”.

Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chimica presso la Scuola di Scienze Naturali e Matematica

Baughman ha affermato che il miglioramento delle prestazioni dei twistron ritorti deriva dalla compressione laterale del filo durante lo stiramento o la torsione. Questo processo porta gli strati in contatto tra loro in modo tale da influenzare le proprietà elettriche del filato.

"I nostri materiali fanno qualcosa di molto insolito", ha detto Baughman. “Quando li allunghi, invece di diventare meno densi, diventano più densi. Questa densificazione avvicina i nanotubi di carbonio e contribuisce alla loro capacità di raccolta di energia. Abbiamo un ampio team di teorici e sperimentali che cercano di comprendere in modo più completo il motivo per cui otteniamo risultati così buoni”.