Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad de Texas en Dallas y la Universidad Hanyang en Corea del Sur ha desarrollado hilos de alta tecnología que generan electricidad cuando se estiran o se retuercen.
En un estudio publicado en la edición del 25 de agosto de la revista ciencia , los investigadores describen los hilos "twistron" y sus posibles aplicaciones, como la recolección de energía del movimiento de las olas del océano o de las fluctuaciones de temperatura. Cuando se cosen en una camisa, estos hilos sirven como un monitor de respiración autoalimentado.
"La forma más fácil de pensar en las cosechadoras twistron es que tienes un trozo de hilo, lo estiras y sale la electricidad", dijo el Dr. Carter Haines, profesor asociado de investigación en el Instituto Alan G. MacDiarmid NanoTech en UT Dallasy coautor principal del artículo. El artículo también incluye investigadores de Corea del Sur, Virginia Tech, la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson y China.
Hilos basados en nanotecnología
Los hilos están construidos a partir de nanotubos de carbono, que son cilindros huecos de carbono 10.000 veces más pequeños en diámetro que un cabello humano. Los investigadores primero hicieron girar los nanotubos en hilos ligeros de alta resistencia. Para que los hilos sean altamente elásticos,introdujo tanto giro que los hilos se enrollaron como una banda de goma demasiado retorcida.
Para generar electricidad, los hilos deben estar sumergidos o recubiertos con un material iónicamente conductor o electrolito, que puede ser tan simple como una mezcla de sal de mesa y agua.
"Fundamentalmente, estos hilos son supercondensadores", dijo el Dr. Na Li, científico investigador del Instituto NanoTech y coautor del estudio. "En un condensador normal, se usa energía, como una batería,para agregar cargas al condensador. Pero en nuestro caso, cuando inserta el hilo de nanotubos de carbono en un baño de electrolitos, los hilos son cargados por el electrolito en sí. No se necesita batería externa ni voltaje ".
Cuando un hilo de la cosechadora se retuerce o estira, el volumen del hilo de nanotubos de carbono disminuye, acercando las cargas eléctricas en el hilo y aumentando su energía, dijo Haines. Esto aumenta el voltaje asociado con la carga almacenada en el hilo,permitiendo la cosecha de electricidad.
Estirar los hilos en espiral twistron 30 veces por segundo generó 250 vatios por kilogramo de potencia eléctrica máxima cuando se normalizó al peso de la cosechadora, dijo el Dr. Ray Baughman, director del Instituto NanoTech y autor correspondiente del estudio.
"Aunque se han investigado numerosas cosechadoras alternativas durante muchas décadas, ninguna otra cosechadora reportada proporciona una potencia eléctrica tan alta o una producción de energía por ciclo como la nuestra para tasas de estiramiento entre unos pocos ciclos por segundo y 600 ciclos por segundo"
Las pruebas de laboratorio muestran posibles aplicaciones
En el laboratorio, los investigadores mostraron que un hilo twistron que pesaba menos que una mosca doméstica podía alimentar un pequeño LED, que se iluminaba cada vez que se estiraba el hilo.
Para mostrar que los twistrones pueden recolectar energía térmica residual del medio ambiente, Li conectó un hilo twistron a un músculo artificial polimérico que se contrae y se expande cuando se calienta y enfría. La cosechadora twistron convirtió la energía mecánica generada por el músculo polimérico en energía eléctrica.
"Existe un gran interés en el uso de energía residual para alimentar el Internet de las cosas, como conjuntos de sensores distribuidos", dijo Li. "La tecnología Twistron podría explotarse para aplicaciones en las que no es práctico cambiar las baterías".
Los investigadores también cosieron cosechadoras twistron en una camisa. La respiración normal estiraba el hilo y generaba una señal eléctrica, demostrando su potencial como un sensor de respiración autoalimentado.
"Los textiles electrónicos son de gran interés comercial, pero ¿cómo los va a alimentar?", Dijo Baughman. "La recolección de energía eléctrica del movimiento humano es una estrategia para eliminar la necesidad de baterías. Nuestros hilos produjeron más de cien veces más electricidadpotencia por peso cuando se estira en comparación con otras fibras tejidas reportadas en la literatura "
Electricidad de las olas del océano
"En el laboratorio demostramos que nuestros recolectores de energía trabajaron usando una solución de sal de mesa como electrolito", dijo Baughman, quien ocupa la Cátedra Distinguida Robert A. Welch en Química en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas ". Pero nosotrosquería demostrar que también trabajarían en el agua del océano, que es químicamente más complejo ".
En una demostración de prueba de concepto, el coautor Dr. Shi Hyeong Kim, investigador postdoctoral en el Instituto NanoTech, se metió en las frías olas de la costa este de Corea del Sur para desplegar un twistron enrollado en el mar.Adjuntó un hilo de 10 centímetros de largo, que pesaba solo 1 miligramo aproximadamente el peso de un mosquito, entre un globo y una platina que descansaba en el fondo del mar.
Cada vez que llegaba una ola oceánica, el globo se elevaba, estirando el hilo hasta un 25 por ciento, generando así la electricidad medida.
Aunque los investigadores utilizaron cantidades muy pequeñas de hilo twistron en el estudio actual, han demostrado que el rendimiento de la cosechadora es escalable, tanto al aumentar el diámetro twistron como al operar muchos hilos en paralelo.
"Si nuestras cosechadoras twistron pudieran hacerse menos costosas, en última instancia podrían cosechar la enorme cantidad de energía disponible de las olas del océano", dijo Baughman. "Sin embargo, en la actualidad estas cosechadoras son más adecuadas para alimentar sensores y comunicaciones de sensores"."Según la producción de potencia promedio demostrada, solo 31 miligramos de cosechadora de hilo de nanotubos de carbono podrían proporcionar la energía eléctrica necesaria para transmitir un paquete de datos de 2 kilobytes en un radio de 100 metros cada 10 segundos para el Internet de las cosas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Texas en Dallas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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