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Universidad de Texas en Dallas

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Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas (UTD) y sus colegas han diseñado un tipo nuevo y mejorado de hilo de alta tecnología llamado "twistrons", que genera electricidad cuando se estira o se tuerce, según un comunicado de prensa de la institución publicado el jueves.

La nueva innovación es muy parecida a la lana tradicional o al hilo de algodón, solo que tiene la capacidad de convertir el movimiento mecánico en electricidad. El descubrimiento no es del todo nuevo. Fue descrito por primera vez por investigadores de UTD en un estudio publicado en 2017, pero esta nueva versión mejora el original al ser significativamente más eficiente.

Estas versiones anteriores de twistrons eran muy elásticas y podían generar electricidad si se estiraban y soltaban repetidamente o se retorcían y desenroscaban.

Sin embargo, en el nuevo estudio, el equipo de investigación no torció las fibras hasta el punto de enrollarlas, sino que se centró en entrelazar tres hebras individuales de fibras de nanotubos de carbono hiladas para hacer un solo hilo.

"Los hilos retorcidos que se usan en los textiles generalmente están hechos con hebras individuales que se retuercen en una dirección y luego se juntan en la dirección opuesta para hacer el hilo final", dijo el Dr. Ray Baughman, director del Instituto de Nanotecnología Alan G. MacDiarmid en UT Dallas y el autor correspondiente del estudio.

"Esta construcción heteroquiral proporciona estabilidad contra el desenroscado".

"Por el contrario, nuestros twistrons con capas de nanotubos de carbono de más alto rendimiento tienen la misma mano de torsión y capas: son homoquirales en lugar de heteroquirales", dijo Baughman, presidente distinguido de química de Robert A. Welch en la Escuela de Ciencias Naturales. Ciencias y Matemáticas.

Universidad de Texas en Dallas

Luego, los investigadores probaron los nuevos hilos a través de experimentos y descubrieron que demostraron una eficiencia de conversión de energía del 17,4 por ciento para la recolección de energía de tracción (estiramiento) y del 22,4 por ciento para la recolección de energía de torsión (torsión). Esto fue significativamente más que los modelos más antiguos (7,6 por ciento).

"Estos twistrones tienen una mayor potencia de salida por peso del cosechador en un amplio rango de frecuencia, entre 2 Hz y 120 Hz, que lo informado anteriormente para cualquier cosechador de energía mecánica basado en materiales que no sea un twistrón", dijo Baughman.

Baughman explicó que su equipo logró acentuar el rendimiento de los twistrons en capas introduciendo una compresión lateral del hilo al estirarlo o torcerlo. Este nuevo proceso permite que las capas entren en contacto entre sí de una manera que afecta las propiedades eléctricas del hilo.

"Nuestros materiales hacen algo muy inusual", afirmó Baughman.

"Cuando los estiras, en lugar de volverse menos densos, se vuelven más densos. Esta densificación empuja los nanotubos de carbono más juntos y contribuye a su capacidad de recolección de energía".

"Tenemos un gran equipo de teóricos y experimentadores que intentan comprender más completamente por qué obtenemos tan buenos resultados", agregó.

Los nuevos hilos también se pueden usar para detectar y recolectar el movimiento humano. En un experimento, el equipo cosió los hilos en un parche de tela de algodón que luego se envolvió alrededor del codo de una persona. Se generaron señales eléctricas cuando la persona dobló repetidamente el codo.

Los investigadores ahora han solicitado una patente. El estudio se publica en la revista Nature Energy.

Se necesitan métodos mejorados para recolectar energía mecánica. Los hilos de nanotubos de carbono enrollados, denominados twistrons, usan cambios inducidos por estiramiento en la capacitancia electroquímica para convertir la energía mecánica en electricidad. El alargamiento del hilo produce proporciones de Poisson laterales tan grandes que los hilos están muy densificados por estiramiento, lo que contribuye a la cosecha. Aquí mostramos hilos torcidos en capas, en lugar de enrollados, que aumentan la eficiencia de conversión de energía de los hilos del 7,6 % al 17,4 % para estiramiento y al 22,4 % para torsión. Esto se atribuye a mecanismos de recolección adicionales por estiramiento del hilo y deformaciones laterales. Para recolectar entre 2 y 120 Hz, nuestro twistron de capas tiene una potencia máxima gravimétrica y una potencia promedio más altas que las reportadas para recolectores de energía mecánica basados ​​en materiales que no son de twistron. Cosemos los twistrons en textiles para detectar y recolectar el movimiento humano, los desplegamos en agua salada para recolectar la energía de las olas del océano y los usamos para cargar supercondensadores.