Nouveau sommet

Université du Texas à Dallas

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Des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas (UTD) et leurs collègues ont mis au point un nouveau type amélioré de fil de haute technologie appelé « twistrons », qui génère de l'électricité lorsqu'il est étiré ou tordu, selon un communiqué de presse de l'institution publié jeudi.

La nouvelle innovation ressemble beaucoup au fil de laine ou de coton traditionnel, à la différence qu'elle a la capacité de convertir le mouvement mécanique en électricité. La découverte n’est pas entièrement nouvelle. Elle a été décrite pour la première fois par des chercheurs de l'UTD dans une étude publiée en 2017 mais cette nouvelle version améliore l'originale en étant nettement plus efficace.

Ces versions précédentes de twistrons étaient très élastiques et pouvaient produire de l'électricité en étant étirées et relâchées à plusieurs reprises ou tordues et détordées.

Cependant, dans la nouvelle étude, l’équipe de recherche n’a pas tordu les fibres au point de les enrouler, se concentrant plutôt sur l’entrelacement de trois brins individuels de fibres de nanotubes de carbone filées pour créer un seul fil.

"Les fils retors utilisés dans les textiles sont généralement constitués de brins individuels torsadés dans une direction, puis retors ensemble dans la direction opposée pour former le fil final", a déclaré le Dr Ray Baughman, directeur de l'Institut NanoTech Alan G. MacDiarmid à UT Dallas et l'auteur correspondant de l'étude.

"Cette construction hétérochirale offre une stabilité contre la torsion."

"En revanche, nos twistrons à nanotubes de carbone les plus performants ont la même torsion et le même pliage - ils sont homochiraux plutôt qu'hétérochiraux", a déclaré Baughman, titulaire de la chaire distinguée Robert A. Welch en chimie à l'École des sciences naturelles. Sciences et Mathématiques.

Université du Texas à Dallas

Les chercheurs ont ensuite testé les nouveaux fils par le biais d'expériences et ont constaté qu'ils démontraient une efficacité de conversion d'énergie de 17,4 pour cent pour la récupération d'énergie de traction (étirement) et de 22,4 pour cent pour la récupération d'énergie de torsion (torsion). C'est nettement plus que les modèles plus anciens (7,6 %).

"Ces twistrons ont une puissance de sortie par poids de récolteuse plus élevée sur une large gamme de fréquences - entre 2 Hz et 120 Hz - que ce qui avait été rapporté précédemment pour tout récupérateur d'énergie mécanique sans twistron et à base de matériaux", a déclaré Baughman.

Baughman a expliqué que son équipe a réussi à accentuer les performances des twistrons retors en introduisant une compression latérale du fil lors de l'étirement ou de la torsion. Ce nouveau procédé permet aux brins d'entrer en contact les uns avec les autres d'une manière qui affecte les propriétés électriques du fil.

"Nos matériaux font quelque chose de très inhabituel", a déclaré Baughman.

"Lorsque vous les étirez, au lieu de devenir moins denses, ils deviennent plus denses. Cette densification rapproche les nanotubes de carbone et contribue à leur capacité de récupération d'énergie."

"Nous disposons d'une grande équipe de théoriciens et d'expérimentateurs qui tentent de comprendre plus complètement pourquoi nous obtenons de si bons résultats", a-t-il ajouté.

Les nouveaux fils peuvent également être utilisés pour détecter et capturer le mouvement humain. Dans une expérience, l'équipe a cousu les fils dans un morceau de tissu en coton qui a ensuite été enroulé autour du coude d'une personne. Des signaux électriques ont été générés lorsque la personne a plié le coude à plusieurs reprises.

Les chercheurs ont maintenant déposé une demande de brevet. L'étude est publiée dans la revue Nature Energy.

Des méthodes améliorées sont nécessaires pour récupérer l’énergie mécanique. Les fils de nanotubes de carbone enroulés, appelés twistrons, utilisent les changements de capacité électrochimique induits par l'étirement pour convertir l'énergie mécanique en électricité. L'allongement du fil produit des coefficients de Poisson latéraux si élevés que les fils sont fortement densifiés par étirement, ce qui contribue à la récolte. Nous rapportons ici des twistrons retors, au lieu d'enroulements, qui augmentent l'efficacité de conversion énergétique des fils de 7,6 % à 17,4 % pour l'étirement et à 22,4 % pour la torsion. Ceci est attribué à des mécanismes de récolte supplémentaires par étirement du fil et déformations latérales. Pour la récolte entre 2 et 120 Hz, notre twistron plissé a une puissance de crête gravimétrique et une puissance moyenne plus élevées que celles signalées pour les récupérateurs d'énergie mécaniques sans twistron, basés sur des matériaux. Nous cousons les twistrons dans des textiles pour détecter et récolter les mouvements humains, les déployons dans l'eau salée pour récolter l'énergie des vagues océaniques et les utilisons pour charger des supercondensateurs.