国际科研团队最新开发高科技纱线“Twistron” 可在自身被拉伸或者扭转时产生电能

  

国际科研团队最新开发高科技纱线“Twistron”，可在自身被拉伸或者扭转时产生电能

（神秘的地球uux.cn报道）据EurekAlert!：由得克萨斯大学达拉斯分校（UTD）和韩国汉阳大学科学家领导的国际科研团队最新开发的高科技纱线，可以在自身被拉伸或者扭转时产生电能。

在“科学”杂志8月25日发表的一项工作中，研究人员们具体介绍了这种名为“Twistron”的发电纱线及其潜在应用，例如它们可以从海浪运动和温度波动中采集能量，并转化成电能。把它们缝进上衣后，这些纱线便可以成为无需外加电源的呼吸监测器。

“用最简单的话来描述Twistron就是，你拿着一条纱线，拉伸它，电能就会产生。”来自UTD的Alan G. MacDiarmid纳米技术研究所的研究副教授，文章的共同第一作者之一，Carter Haines博士说。参与这项工作的还有来自韩国，美国弗吉尼亚理工大学，美国赖特 - 帕特森空军基地和来自中国的研究人员。

采用纳米技术的纱线 这种纱线由碳纳米管构成，单根碳纳米管是直径比人头发丝直径小10,000倍的中空圆柱体。研究人员先将许多纳米管一起纺成高强度，轻质的纱线。为了使纱线具有高弹性，他们不断提高纱线上的捻度，巨大的捻度使纱线发生卷曲，形成类似弹簧的螺旋结构。

为了发电，纱线必须浸泡或者涂上离子导电材料，也就是电解质，简单如普通的食盐水。

“这些纱线，本质上是一种超级电容器，” UTD纳米技术研究所的研究科学家，文章的共同第一作者之一，李娜博士说， “普通的电容器，一般需要通过外加电源来引入电荷。不同的是，当我们将这种碳纳米管纱线浸入电解液，一部分电解液中的离子会自动插入到纱线中。不需要外加电源，或外加偏压来实现。”
当一根能量采集纱线被拧紧或拉伸，碳纳米管纱线的体积减少，使纱线上的电荷彼此靠近从而增加其能量，Haines介绍到，这使得纱线中电荷产生的电压增高，从而能够收获电能。

卷曲的twistron纱线以每秒30次的频率拉伸时，可以产生250瓦每千克（纱线重量）的峰值电功率，UTD纳米技术研究所主任,文章的通讯作者之一，Ray Baughman博士说。

“即便许多其它类型的能量采集技术已经存在并发展了数十年，在每秒几个周期到每秒600个周期的拉伸频率范围内，仍然没有其他任何文献报道的能量采集技术可以产生如此高的输出功率或者单位周期的输出能量。”

实验测试显示应用前景 在实验室里，研究人员们发现，一根重量小于家蝇的碳纳米管纱线，在每次被拉伸时，就可以点亮一个小型的LED。

为了表明twistron可以从环境中采集废热，李将一根twistron纱线与聚合物人工肌肉相连，人工肌肉在受热和冷却时收缩和伸长。Twistron发电纱线则将聚合物人工肌肉产生的机械能转化为电能。

“人们对于利用废弃能源来为物联网，比如分布的传感器阵列，提供电力有很大的兴趣，”李说， “对于这些应用来说，经常性的更换电池是不切实际的，而twistron技术可以解决这个问题。”

研究人员还将twistron纱线缝进了上衣。正常呼吸过程中，纱线被拉伸并产生电信号，表明其作为自给电呼吸传感器的潜力。

“电子纺织品具有重大的商业前景，但怎么来为它供电呢？”Baughman说。 “从人体的运动中收获电能是消除电池需求的一个策略。与文献中报道的其他可织布发电纤维相比，单位重量的twistron纱线，能提供高于它们一百倍以上的电功率。”

海浪发电 “在实验室里，我们的发电纱线可以用盐水作为电解液，”Robert A. Welch自然科学与数学化学学科特聘讲席教授，Baughman说， “但是我们想表明，它们也可以在化学成分更复杂的海水中工作。”

在一个概念验证示范中，UTD纳米技术研究所的博士后Shi Hyeong Kim博士，文章的共同第一作者之一，在南韩东海岸寒冷的海水中，测试了twistron海水发电的可行性。他将一根10厘米长，仅重一毫克（大约是一只蚊子的重量）的纱线，连在一个气球和一块静置在海床上的沉子之间。

每次海浪到达时，气球便会上升，将纱线拉伸至最高25％的伸长率，从而产生所测量到的电能。

尽管研究人员在目前的研究中只使用了非常少量的纱线，但是他们已经证明，这种发电纱线的输出可以随纱线体积的增大以及并行工作的纱线数量的增高而等比例放大。

“如果我们可以降低这种能量采集纱线的生产成本，它们将最终可以从海浪中获取巨大的能量，” Baughman说， “但是，目前这些发电纱线最适合的应用方向，应该是为传感器供电以及传感器通讯。基于我们目前实现的平均输出功率，只需要31毫克的碳纳米管纱线便可以为物联网提供在一个长达100米半径范围内，每10秒钟传输2千字节数据包所需的电能。”

此外，UTD 的Erik Jonsson工程与计算机科学学院的研究人员以及Lintec美国纳米科技中心的研究人员也参与了这项研究。   研究人员就该技术申请了专利。

美国部分的研究经费由空军和空军科学研究办公室，美国航空航天局，海军研究办公室和Robert A. Welch基金会资助。韩国部分的研究经费得到了韩国-美国空军合作计划，国家科研基金和科技部自主动力创新研究计划中心的支持。