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【工业之美】这根重量小于家蝇的纱线 可以通过拉伸点亮发光二极管

当发电纱线以每秒30次的频率拉伸时,可产生250瓦/千克的峰值电功率。

图片来源:海洛创意

“这里有一根纱线,你通过对它进行拉伸和扭曲就能发出电来。”

美国德克萨斯大学的纳米科技研究员卡特·海恩斯(Carter Haines)这样解释发电纱线的独特之处。他所在的中、美、韩三国科学家组成的研究团队,由美国德克萨斯大学达拉斯分校和韩国汉阳大学领衔,研发出了这款名为Twistron的纱线。研究结果发表在《科学》杂志上。

螺旋碳纳米管纱线Twistron harvesters 图片来源:德克萨斯大学达拉斯分校网站

Twistron纱线本质上是一种不需要外加电源的电容器,它由很多根碳纳米管组成。每根碳纳米管是直径为人头发丝直径10000分之一的中空圆柱体。为了提高纱线的弹性,研究人员通过提高纱线的捻度使得纱线呈类似弹簧的螺旋结构。

纱线在发电前需要先在电解质溶液中浸泡,使电解质中的离子附着到碳纳米管表面。当一根发电纱线被拧紧或拉伸时,碳纳米管之间的距离变小,离子聚集到一起,密度变大,就会将拧紧或拉伸过程中的机械能转化为电能。

“这是一个很神奇的电化学过程,”论文作者之一、美国德克萨斯大学达拉斯分校的李娜对新华社记者介绍,“我们不需要任何外加电源。只要浸泡一下电解质,再拉伸它,就直接产生电能。”经过测试,一根重量小于家蝇的Twistron纱线,一次拉伸产生的电能可以点亮一个小型发光二极管。而当发电纱线以每秒30次的频率拉伸时,可产生250瓦/千克(纱线重量)的峰值电功率。

发电纱线一次拉伸产生的电能可以点亮一个小型发光二极管  图片来源:Science

实验室测试结果显示,这种发电纱线存在诸多潜在应用场景。

研究人员尝试将这种纱线缝进了衣服。人体正常呼吸时,随着胸腔的起伏,纱线被拉伸并产生电信号。同时研究人员还通过使用固态电解质,使得缝制在衣服内的发电纱线不用浸泡电解质溶液也能发电。

测试过程中使用发电纱线的衣服   图片来源:Science

测试发现,通过呼吸拉伸发电纱线产生的电量,已经可以满足包括无线收发器在内的低功率器件的用电需求。此外,有关数据也可以被用作医疗研究。

人呼吸时产生的电信号以及示波器显示效果  图片来源:Science

为了测试Twistron纱线是否能够利用余热发电,李娜还将该纱线与人造肌肉连接在一起,通过加热和冷却造成肌肉收缩,拉伸纱线产生电能。实验结果也证明其确可以将人工肌肉的机械能转化为电能。“借助这种纱线,人们可以利用余热来为物联网提供动力,例如支持传感器阵列的运转。”

而在波浪能实验中,Twistron纱线也展现了相当大的应用潜力。论文作者之一、韩国研究员Kim Shi Hyeong曾在韩国东海岸测试了发电纱线在海水中发电的可行性。

研究人员将一根10厘米长、重1毫克的纱线,连接在一只气球和一块沉在海底的重物之间。气球随着海浪起伏上下移动,进而拉伸纱线,产生电能。研究人员介绍称,该纱线的延伸率最高可达25%。

鲍曼表示基于目前实现的平均输出功率,31毫克的发电纱线就可以在100米半径范围内,提供每10秒钟传输2千字节数据包所需的电能。他也表示,如果大量投入应用, Twistron纱线的成本还需要进一步降低。

李娜也表达了相似的看法:“海浪里含有巨大的机械能,如果能把碳纳米管的生产成本降下来,我们就能利用这种纱线制成巨大的能量收集装置。”

目前,研究团队已为该纱线申请专利,并将进行更多研究。

德克萨斯大学达拉斯分校的网站显示,该研究已获得美国空军和海军下属研究机构、美国宇航局和罗伯特·韦尔奇基金会(Robert A. Welch Foundation)资助。

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