Nowe badania pokazują, że skręcone nanorurki węglowe mogą magazynować energię o dużej gęstości, aby zasilać czujniki lub inną technologię.
Naukowcy odkryli, że skręcone nanorurki węglowe mogą przechowywać trzykrotnie więcej energii niż akumulatory litowo-jonowe na jednostkę masy, co czyni je idealnymi do lekkich i bezpiecznych zastosowań w magazynowaniu energii, takich jak implanty medyczne.
Przełomowe badania dotyczące magazynowania energii
Globalny zespół naukowców, w tym dwóch badaczy z Centrum Zaawansowanych Technologii Sensorów (CAST) na Uniwersytecie Maryland w hrabstwie Baltimore (UMBC), wykazał, że skręcone nanorurki węglowe mogą przechowywać trzy razy więcej energii na jednostkę masy niż zaawansowane litowo-jonowe baterie. Ten przełom pozycjonuje nanorurki węglowe jako obiecujące rozwiązanie w zakresie magazynowania energii w lekkich, kompaktowych i bezpiecznych urządzeniach, takich jak implanty medyczne i czujniki. Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie Nanotechnologia natury.
Badanie było wspólnym wysiłkiem czterech instytucji pod przewodnictwem Shigenori Utsumi z Uniwersytetu Naukowego Suwa w Chino w Japonii, Katsumi Kaneko z Uniwersytetu Shinshu w Nagano w Japonii i Sanjeev Kumar Ujjain z CAST. Kumar Ujjain rozpoczął projekt na Uniwersytecie Shinshu i kontynuował swoją pracę po dołączeniu do UMBC w 2022 r. Preety Ahuja, również z CAST, odegrała kluczową rolę w fazie charakteryzacji materiałów w badaniach.
Innowacyjne właściwości nanorurek węglowych
Naukowcy badali jednościenne nanorurki węglowe, które przypominają słomki wykonane tylko z czystych arkuszy węgla 1 atom gruby. Nanorurki węglowe są lekkie, stosunkowo łatwe w produkcji i około 100 razy mocniejsze niż stal. Ich niesamowite właściwości skłoniły naukowców do zbadania ich potencjalnego zastosowania w szerokiej gamie futurystycznie brzmiących technologii, m.in kosmiczne windy.
Aby zbadać potencjał nanorurek węglowych w zakresie magazynowania energii, badacze z UMBC i ich współpracownicy wyprodukowali „liny” nanorurek węglowych z wiązek dostępnych na rynku nanorurek. Po przeciągnięciu i skręceniu rurek w jedną nić naukowcy pokryli je różnymi substancjami, które miały zwiększyć wytrzymałość i elastyczność lin.
Imponujące możliwości magazynowania energii
Zespół przetestował, ile energii mogą zmagazynować liny, skręcając je i mierząc energię uwalnianą podczas rozwijania się lin. Odkryli, że najskuteczniejsze liny mogą przechowywać 15 000 razy więcej energii na jednostkę masy niż stalowe sprężyny i około trzy razy więcej energii niż akumulatory litowo-jonowe. Zmagazynowana energia pozostaje stała i dostępna w temperaturach od -76 do +212°F (-60 do +100°C). Materiały, z których wykonane są liny z nanorurek węglowych, są także bezpieczniejsze dla organizmu ludzkiego niż te stosowane w akumulatorach.
„Ludzie od dawna magazynują energię w mechanicznych sprężynach śrubowych, które służą do zasilania urządzeń takich jak zegarki i zabawki” – mówi Kumar Ujjain. „To badanie pokazuje, że skręcone nanorurki węglowe mają ogromny potencjał w zakresie magazynowania energii mechanicznej i cieszymy się, że możemy podzielić się tą wiadomością ze światem”. Mówi, że zespół CAST pracuje już nad wykorzystaniem skręconych nanorurek węglowych jako źródła energii w opracowywanym przez siebie prototypowym czujniku.
Odniesienie: „Gigantyczna nanomechaniczna pojemność magazynowania energii w skręconych jednościennych linach z nanorurek węglowych” autorstwa Shigenori Utsumi, Sanjeev Kumar Ujjain, Satoshi Takahashi, Ryo Shimodomae, Tae Yamaura, Ryosuke Okuda, Ryuichiro Kobayashi, Oga Takahashi, Satoshi Miyazono, Naoki Kato, Keiichi Aburamoto, Yuta Hosoi, Preety Ahuja, Ayumi Furuse, Yuma Kawamata, Hayato Otsuka, Kazunori Fujisawa, Takuya Hayashi, David Tománek i Katsumi Kaneko, 16 kwietnia 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01645-x
