كتب مصطفى شعبان
صنع باحثو تقنية النانو خيوطًا جديدة للأنابيب النانوية الكربونية التي تحول الحركة الميكانيكية إلى كهرباء بشكل أكثر فاعلية من حصادات الطاقة الأخرى القائمة على المواد.
في دراسة نُشرت في Nature Energy ، وصف باحثو في جامعة تكساس، والمتعاونون معهم تحسينات على الخيوط عالية التقنية التي اخترعوها تسمى”twistrons” ، والتي تولد الكهرباء عند التمدد أو الالتواء، نسختهم الجديدة مبنية إلى حد كبير مثل الصوف التقليدي أو خيوط القطن.
يمكن للأدوات المخيطة في المنسوجات استشعار الحركة البشرية وحصادها ؛ عند نشرها في المياه المالحة، يمكن للقرصنة أن تحصد الطاقة من حركة أمواج المحيط؛ ويمكن أيضًا شحن المكثفات الفائقة.
تم وصفها لأول مرة من قبل باحثين من جامعة تكساس في دراسة نُشرت عام 2017 في مجلة Science ، حيث يتم تصنيع التويسترونات من أنابيب الكربون النانوية (CNTs) ، وهي عبارة عن أسطوانات مجوفة من الكربون أصغر بقطر 10000 مرة من شعرة الإنسان. لصنع التويسترونات، يتم لف الأنابيب النانوية إلى ألياف أو خيوط عالية القوة وخفيفة الوزن يمكن أيضًا دمج الإلكتروليت فيها.
كانت الإصدارات السابقة من التويسترونات مرنة للغاية، وهو ما أنجزه الباحثون عن طريق إدخال الكثير من الالتواءات، بحيث تكون الخيوط ملفوفة مثل شريط مطاطي ملفوف. يتم توليد الكهرباء من الخيوط الملفوفة عن طريق شدها وإطلاقها بشكل متكرر، أو عن طريق لفها وفكها.
تشبيك ثلاثة خيوط فردية من ألياف الأنابيب
في الدراسة الجديدة ، لم يقم فريق البحث بلف الألياف إلى درجة اللف، بدلاً من ذلك، قاموا بتشبيك ثلاثة خيوط فردية من ألياف الأنابيب النانوية الكربونية المغزولة لصنع خيط واحد، على غرار الطريقة التي يتم بها بناء الخيوط التقليدية المستخدمة في المنسوجات – ولكن مع تطور مختلف.
في التجارب التي أجريت على خيوط CNT المطوية، أظهر الباحثون كفاءة تحويل للطاقة بنسبة 17.4٪ لحصاد طاقة الشد (الشد) و22.4٪ لحصاد الطاقة الالتوائي (الالتواء)، وصلت الإصدارات السابقة من أذرعها الملفوفة إلى ذروة كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 7.6 ٪ لكل من حصاد الطاقة الشد والالتوائي.
ناتج طاقة أعلى
قال الدكتور راي بوجمان ، مدير شركة معهد Alan G. MacDiarmid NanoTech والمؤلف المراسل للدراسة “هذه التويسترونات لها ناتج طاقة أعلى لكل حصادة وزن على مدى تردد واسع – بين 2 هرتز و 120 هرتز- مما تم الإبلاغ عنه سابقًا لأي حصاد طاقة ميكانيكي غير ملتوي ، يعتمد على المواد”.
وأضاف بوجمان، أن الأداء المحسن للقرص المطوية ينتج عن الضغط الجانبي للغزل عند التمدد أو الالتواء، تجعل هذه العملية الطبقات متلامسة مع بعضها البعض بطريقة تؤثر على الخواص الكهربائية للخيط، قائلا “موادنا تفعل شيئًا غير عادي للغاية”، “عندما تمدهم، بدلاً من أن يصبحوا أقل كثافة، يصبحون أكثر كثافة، هذا التكثيف يدفع الأنابيب النانوية الكربونية إلى التقارب ويساهم في قدرتها على حصاد الطاقة. لدينا فريق كبير من النظريين والتجريبيين يحاولون فهم أسباب الحصول على هذه النتائج الجيدة “.
توفبر الأداء الأمثل
وجد الباحثون أن صنع الغزل من ثلاث طبقات يوفر الأداء الأمثل، وأجرى الفريق عدة تجارب لإثبات صحة المفهوم باستخدام ثلاث طبقات twistrons، في أحد العروض التوضيحية، قاموا بمحاكاة توليد الكهرباء من أمواج المحيط عن طريق ربط تويسترون ثلاثي الطبقات بين بالون، وقاع حوض مائي مملوء بالمياه المالحة، وقاموا أيضًا بترتيب عدة تويسترونات مطوية في مصفوفة تزن 3.2 ملليجرام فقط ومددوها مرارًا وتكرارًا لشحن مكثف فائق، والذي كان لديه بعد ذلك طاقة كافية لتشغيل خمسة ثنائيات صغيرة ينبعث منها الضوء، وساعة رقمية ومستشعر رقمي للرطوبة/ درجة الحرارة.
قام الفريق أيضًا بخياطة خيوط CNT في رقعة من القماش القطني ثم لفها حول مرفق الشخص، تم إنشاء إشارات كهربائية عندما قام الشخص بثني كوعه مرارًا وتكرارًا، مما يدل على إمكانية استخدام الألياف لاستشعار وحصاد الحركة البشرية، وتقدم الباحثون بطلب للحصول على براءة اختراع على أساس التكنولوجيا.
