Fibra de nanotubos de carbono que gera energia atinge novo patamar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/01/2023

O segredo da melhoria obtida agora está na forma como as fibras são estruturadas a partir dos nanotubos de carbono.
[Imagem: Mengmeng Zhang et al. - 10.1038/s41560-022-01191-7]

Ganho de eficiência

Há alguns anos, a equipe do professor Ray Baughman, da Universidade do Texas, sintetizou uma fibra que produz eletricidade ao ser torcida.

Batizadas de twistrons, essas fibras feitas de nanotubos de carbono logo se transformaram em músculos artificiais eletromecânicos e, finalmente, em mais uma opção de colheita de energia a partir do movimento.

De fato, essas fibras são muito versáteis: Costuradas em tecidos elas podem sentir e tirar proveito do movimento humano; postas em água salgada, elas podem coletar energia do movimento das ondas do mar; e também podem carregar supercapacitores e baterias.

Agora a equipe fez novas melhorias que elevaram a eficiência de conversão de energia para 17,4% para colheita da energia de tração (alongamento) e 22,4% para colheita da energia de torção - as versões anteriores atingiam uma eficiência máxima de conversão de energia de 7,6% para ambos os movimentos.

E nem precisou mexer nas fibras em si: Tudo o que foi necessário foi montá-las de forma diferente, o que permitiu de tirar maior proveito de todo o seu potencial teórico.

Uma fibra individual - aqui vista ao microscópio - feita de nanotubos de carbono.
[Imagem: Shi Hyeong Kim et al. - 10.1126/science.aam8771]

Tecelagem nanotecnológica

As versões anteriores das twistrons eram altamente elásticas, o que era feito introduzindo tanta torção que os fios se enrolam como uma mola. A eletricidade é gerada pelos fios enrolados, esticando-os e soltando-os repetidamente, ou torcendo-os e destorcendo-os.

Nesta nova versão, as fibras não são torcidas a ponto de enrolar; em vez disso, três linhas individuais de fibras de nanotubos de carbono foram entrelaçadas para fazer um único fio, semelhante à forma como os fios convencionais usados para costurar - mas com um toque diferente.

"As linhas usadas em tecidos normalmente são feitas com fios individuais que são torcidos em uma direção e depois dobrados juntos na direção oposta para fazer o fio final. Essa construção heteroquiral fornece estabilidade contra destorção," explicou o professor Baughman. "Em contraste, nossos twistrons de nanotubos de carbono de alto desempenho têm a mesma mão de torção e dobra - eles são homoquirais, em vez de heteroquirais."

Segundo a equipe, o desempenho aprimorado dos twistrons dobrados em camadas resulta da compressão lateral da linha quando ela estica ou torce. Esse processo coloca as camadas em contato umas com as outras de uma forma que afeta as propriedades elétricas do fio.

"Nossos materiais fazem algo muito incomum," disse Baughman. "Quando você os estica, em vez de se tornarem menos densos, eles se tornam mais densos. Essa densificação aproxima os nanotubos de carbono e contribui para sua capacidade de captação de energia. Temos uma grande equipe de teóricos e experimentalistas tentando entender mais completamente por que nós obtivemos resultados tão bons."

Há muitas formas de torcer a fibra para que ela gere energia.
[Imagem: Shi Hyeong Kim et al. - 10.1126/science.aam8771]

Testes práticos

A equipe realizou vários experimentos de prova de conceito usando twistrons de três camadas.

Em uma demonstração, eles simularam a geração de eletricidade a partir das ondas do mar, prendendo um twistron de três camadas entre um balão e o fundo de um aquário cheio de água salgada.

Eles também organizaram vários twistrons dobrados em uma matriz pesando apenas 3,2 miligramas e os esticaram repetidamente para carregar um supercapacitor, que obteve energia suficiente para alimentar cinco LEDs, um relógio digital e um sensor digital de umidade/temperatura.

A equipe também costurou os fios de nanotubos de carbono em um pedaço de tecido de algodão, que foi então enrolado ao redor do cotovelo de uma pessoa. Sinais elétricos foram gerados conforme a pessoa dobrava repetidamente o cotovelo, demonstrando o uso potencial das fibras para detectar e coletar energia do movimento humano.

Mais tópicos