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, sauf qu'elle a la capacité de convertir le mouvement mécanique en électricité. La découverte n'est pas entièrement nouvelle. Il a été décrit pour la première fois par des chercheurs de l'UTD dans une étude publiée en 2017 mais cette nouvelle version améliore l'original en étant nettement plus efficace.

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

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 filés pour en faire un seul fil.

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

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

"En revanche, nos twistrons à plis de nanotubes de carbone les plus performants ont le même sens de torsion et de plis - 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 et des mathématiques.

Université du Texas à Dallas

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

"Ces twistrons ont une puissance de sortie plus élevée par poids de récolteuse sur une large plage de fréquences - entre 2 Hz et 120 Hz - que ce qui avait été signalé précédemment pour toute récolteuse d'énergie mécanique non torsadée et basée sur des 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 plis 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 avons une grande équipe de théoriciens et d'expérimentateurs qui essaient de comprendre plus complètement pourquoi nous obtenons d'aussi bons résultats", a-t-il ajouté.

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

Les chercheurs ont 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 des changements induits par l'étirement de la capacité électrochimique pour convertir l'énergie mécanique en électricité. L'allongement du fil produit des rapports de Poisson latéraux si grands que les fils sont fortement densifiés par étirement, ce qui contribue à la récolte. Nous rapportons ici des twistrons retors, au lieu de bobinés, qui augmentent l'efficacité de conversion d'énergie 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 retors a une puissance de crête gravimétrique et une puissance moyenne plus élevées que celles rapportées pour les récupérateurs d'énergie mécanique non torsadés à base de matériaux. Nous cousons les twistrons dans des textiles pour détecter et récolter le mouvement humain, les déployons dans l'eau salée pour récolter l'énergie des vagues océaniques et les utilisons pour charger des supercondensateurs.