Nuovo massimo

Università del Texas a Dallas

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I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas (UTD) e i loro colleghi hanno progettato un nuovo e migliorato tipo di filato high-tech chiamato "twistron", che genera elettricità quando allungato o attorcigliato, secondo un comunicato stampa dell'istituto pubblicato giovedì.

La nuova innovazione è molto simile ai tradizionali filati di lana o cotone, solo che ha la capacità di convertire il movimento meccanico in elettricità. La scoperta non è del tutto nuova. È stato descritto per la prima volta dai ricercatori dell'UTD in uno studio pubblicato nel 2017, ma questa nuova versione migliora l'originale essendo significativamente più efficiente.

Queste versioni precedenti di twistron erano altamente elastiche e potevano generare elettricità essendo ripetutamente allungate e rilasciate o attorcigliate e srotolate.

Tuttavia, nel nuovo studio, il gruppo di ricerca non ha attorcigliato le fibre fino al punto di arrotolarle, concentrandosi invece sull’intreccio di tre singoli fili di fibre di nanotubi di carbonio filate per creare un unico filato.

"I filati ritorti utilizzati nei prodotti tessili sono tipicamente realizzati con singoli fili ritorti in una direzione e poi ritorti insieme nella direzione opposta per creare il filato finale", ha affermato il dottor Ray Baughman, direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute presso UT Dallas e il corrispondente autore dello studio.

"Questa costruzione eterochirale fornisce stabilità contro lo srotolamento."

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

Università del Texas a Dallas

I ricercatori hanno poi testato i nuovi filati attraverso esperimenti e hanno scoperto che 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). Questo valore era significativamente superiore rispetto ai modelli precedenti (7,6%).

"Questi twistron hanno una maggiore potenza in uscita per peso dell'harvester su un'ampia gamma di frequenze - tra 2 Hz e 120 Hz - rispetto a quanto precedentemente riportato per qualsiasi mietitore di energia meccanica non twistron, basato su materiali", ha affermato Baughman.

Baughman ha spiegato che la sua squadra è riuscita ad accentuare le prestazioni dei twistron ritorti introducendo una compressione laterale del filo durante lo stiramento o la torsione. Questo nuovo processo consente agli strati di entrare in contatto tra loro in modo tale da influenzare le proprietà elettriche del filato.

"I nostri materiali fanno qualcosa di molto insolito", ha affermato Baughman.

"Quando li allunghi, invece di diventare meno densi, diventano più densi. Questa densificazione spinge i nanotubi di carbonio più vicini tra loro 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", ha aggiunto.

I nuovi filati possono essere utilizzati anche per rilevare e raccogliere il movimento umano. In un esperimento, il team ha cucito i fili in una toppa di tessuto di cotone che è stata poi avvolta attorno al gomito di una persona. I segnali elettrici venivano generati quando la persona piegava ripetutamente il gomito.

I ricercatori hanno ora richiesto un brevetto. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Energy.

Sono necessari metodi migliorati per la raccolta dell’energia meccanica. I filati di nanotubi di carbonio a spirale, chiamati twistron, utilizzano cambiamenti indotti dallo stiramento nella capacità elettrochimica per convertire l'energia meccanica in elettricità. L'allungamento del filato produce rapporti di Poisson laterali così grandi che i filati sono altamente densificati grazie all'allungamento, il che contribuisce alla raccolta. Qui segnaliamo i twistron ritorti, anziché spiralati, che aumentano l'efficienza di conversione energetica dei filati dal 7,6% al 17,4% per l'stretch e al 22,4% per il twist. Ciò è attribuito a meccanismi di raccolta aggiuntivi dovuti all'allungamento del filato e alle deformazioni laterali. Per la raccolta tra 2 e 120 Hz, il nostro twistron piegato ha una potenza di picco gravimetrica e una potenza media più elevate rispetto a quelle riportate per i raccoglitori di energia meccanici non twistron basati su materiali. Cuciamo i twistron nei tessuti per rilevare e raccogliere il movimento umano, li distribuiamo in acqua salata per raccogliere l'energia delle onde oceaniche e li usiamo per caricare i supercondensatori.