Dans une étude publiée le 26 janvier dans Énergie naturelle, des chercheurs de l’UT Dallas et leurs collaborateurs décrivent des améliorations apportées aux fils de haute technologie qu’ils ont inventés, appelés « twistrons », qui génèrent de l’électricité lorsqu’ils sont étirés ou tordus. Leur nouvelle version est construite un peu comme des fils de laine ou de coton traditionnels.

Les Twistrons cousus dans les textiles peuvent détecter et récolter le mouvement humain ; lorsqu’ils sont déployés dans l’eau salée, les twistrons peuvent récolter l’énergie du mouvement des vagues océaniques ; et les twistrons peuvent même charger des supercondensateurs.

Décrit pour la première fois par des chercheurs de l’UTD dans une étude publiée en 2017 dans la revue La science, les twistrons sont construits à partir de nanotubes de carbone (NTC), qui sont des cylindres creux de carbone dont le diamètre est 10 000 fois plus petit qu’un cheveu humain. Pour fabriquer des twistrons, les nanotubes sont filés par torsion en fibres ou fils légers à haute résistance, dans lesquels des électrolytes peuvent également être incorporés.

Les versions précédentes des twistrons étaient très élastiques, ce que les chercheurs ont accompli en introduisant tellement de torsion que les fils s’enroulent comme un élastique trop torsadé. L’électricité est générée par les fils enroulés en les étirant et les relâchant à plusieurs reprises, ou en les tordant et les détordant.

Dans la nouvelle étude, l’équipe de recherche n’a pas tordu les fibres au point de s’enrouler. Au lieu de cela, ils ont entrelacé trois brins individuels de fibres de nanotubes de carbone filés pour en faire un seul fil, similaire à la façon dont les fils conventionnels utilisés dans les textiles sont construits, mais avec une torsion différente.

« 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. Cette construction hétérochirale offre une stabilité contre la détorsion », a déclaré le Dr Ray Baughman, directeur de l’Institut Alan G. MacDiarmid NanoTech de l’UT Dallas et l’auteur correspondant de l’étude.

« 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 la School of Natural Sciences et Mathématiques.

Dans des expériences avec les fils CNT retors, les chercheurs ont démontré 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). Les versions précédentes de leurs twistrons enroulés atteignaient une efficacité de conversion d’énergie maximale de 7,6 % pour la récupération d’énergie de traction et de torsion.

« 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 déclaré que les performances améliorées des twistrons retors résultent de la compression latérale du fil lors de l’étirement ou de la torsion. Ce processus met les plis 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 essayant de comprendre plus complètement pourquoi nous obtenir de si bons résultats. »

Les chercheurs ont découvert que la construction du fil à partir de trois plis offrait des performances optimales.

L’équipe a mené plusieurs expériences de preuve de concept à l’aide de twistrons à trois plis. Dans une démonstration, ils ont simulé la génération d’électricité à partir des vagues de l’océan en attachant un twistron à trois plis entre un ballon et le fond d’un aquarium rempli d’eau salée. Ils ont également disposé plusieurs twistrons à plis dans un réseau pesant seulement 3,2 milligrammes et les ont étirés à plusieurs reprises pour charger un supercondensateur, qui disposait alors de suffisamment d’énergie pour alimenter cinq petites diodes électroluminescentes, une montre numérique et un capteur numérique d’humidité/température.

L’équipe a également cousu les fils CNT 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, démontrant l’utilisation potentielle des fibres pour détecter et récolter le mouvement humain.

Les chercheurs ont déposé une demande de brevet basée sur la technologie.

Les autres chercheurs du NanoTech Institute impliqués dans les travaux sont les co-auteurs principaux, le Dr Mengmeng Zhang, associé de recherche, et le Dr Wenting Cai, ancien chercheur invité ; Zhong Wang PhD’21, associé de recherche ; Dr Shaoli Fang, professeur agrégé de recherche; Dr Ali E. Aliev, professeur-chercheur; Dr Anvar Zakhidov, directeur adjoint de l’institut et professeur de physique; et le Dr Jiyoung Oh, chercheur scientifique. Les autres contributeurs de l’UTD étaient Runyu Zhang, étudiant au doctorat en génie mécanique, et le Dr Hongbing Lu, professeur de génie mécanique.

Des chercheurs de l’Université Xi’an Jiaotong et de l’Université de Wuhan en Chine, de l’Université Hanyang en Corée du Sud et du Nano-Science & Technology Center de Lintec of America Inc. ont également contribué.

Les sources de financement de la recherche comprennent l’US Navy, l’Air Force Office of Scientific Research, la Welch Foundation, la National Science Foundation et le Department of Energy.