Des chercheurs de l’Université du Texas, à Dallas, ont mis au point de nouveaux fils en nanotubes de carbone capables de convertir le mouvement mécanique en électricité avec un rendement sans précédent ! Ces fils, appelés twistrons, affichent une efficacité de conversion énergétique de 17,4% dans le cas de l’étirement et de 22,4% pour la torsion.
Les twistrons ont été décrits pour la première fois en 2017 par une équipe de chercheurs de l’UT Dallas. C’est l’essor de l’électronique et des appareils portables qui a motivé leur développement : des fils capables de récolter l’énergie de mouvement apparaissaient comme une solution idéale pour disposer d’une alimentation sans batterie, et de faible encombrement. Ils ont donc mis au point des collecteurs d’énergie, fabriqués à partir de fils de nanotubes de carbone — dont le diamètre est 10 000 fois inférieur à celui d’un cheveu humain — capables de fournir de l’énergie électrique à partir de mouvements de torsion et de traction.
Pour fabriquer ces « twistrons », les nanotubes sont filés par torsion pour former des fibres, légères et très résistantes, dans lesquelles des électrolytes peuvent être incorporés. Comme n’importe quelle autre fibre, ils peuvent être incorporés dans les textiles et ainsi, capter les mouvements humains. Ils peuvent même être utilisés dans l’océan pour recueillir l’énergie du mouvement des vagues ! Pour générer de l’électricité, les fils doivent être recouverts d’un matériau conducteur ionique, ou d’un électrolyte. Lorsqu’un fil est tordu ou étiré, son volume diminue, ce qui rapproche les charges électriques du fil ; cela augmente la tension associée à la charge stockée dans le fil.
Un nouveau mode d’enroulement
Dans leurs précédents travaux, les chercheurs ont réussi à générer une puissance électrique de pointe de 250 watts par kilogramme, en étirant des twistrons 30 fois par seconde. Les twistrons mis au point étaient très élastiques ; pour ce faire, les chercheurs avaient introduit tellement de torsion que les fils s’enroulaient comme un élastique trop torsadé.
Dans une nouvelle étude, la même équipe montre comment elle a réussi à améliorer considérablement l’efficacité de ses twistrons : au lieu d’enrouler une fibre de nanotubes de carbone sur elle-même, les chercheurs ont entrelacé trois brins individuels pour en faire un fil unique — d’une manière quasi similaire à celle utilisée pour les fils de laine ou de coton dans l’industrie textile.
« Les fils retors utilisés dans les textiles sont généralement constitués de brins individuels qui sont tordus dans un sens, puis sont retordus ensemble dans le sens opposé pour former le fil final. Cette construction hétérochirale assure la stabilité contre le dévrillage », explique le Dr Ray Baughman, directeur de l’Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute à l’UT Dallas et auteur correspondant de l’étude. Ici, en revanche, les chercheurs ont opté pour une structure « homochirale » : les trois brins sont tordus puis retordus dans le même sens.
Ainsi « tressés », entre 2 et 120 Hz, ces nouveaux fils affichent une puissance de pointe gravimétrique et une puissance moyenne plus élevées que tout autre collecteur d’énergie mécanique basé sur des matériaux, rapporte l’équipe.
Une efficacité de conversion énergétique jusqu’à trois fois plus élevée
Les chercheurs ont mené plusieurs expériences pour évaluer les performances de leurs twistrons à trois brins. Ils ont tout d’abord attaché un de leurs twistrons entre un ballon et le fond d’un aquarium rempli d’eau salée, afin de simuler la production d’électricité à partir des vagues de l’océan.
Ils ont également utilisé plusieurs twistrons pour former un réseau de seulement 3,2 milligrammes et les ont étirés à plusieurs reprises pour charger un supercondensateur : celui-ci disposait alors de suffisamment d’énergie pour alimenter cinq petites diodes électroluminescentes, une montre numérique et un capteur numérique d’humidité et de température.
Enfin, l’équipe a également intégré des twistrons dans un patch en coton, qui a ensuite été positionné au niveau du coude d’une personne : des signaux électriques étaient générés dès que celle-ci pliait son coude de manière répétée, suggérant que ces fils de haute technologie pourraient tout à fait être utilisés pour exploiter l’énergie des mouvements humains.
Alors que les versions précédentes des twistrons affichaient une efficacité de conversion énergétique maximale de 7,6%, tant en traction qu’en torsion, les nouveaux twistrons s’avèrent beaucoup plus performants : l’équipe rapporte une efficacité de 17,4% pour la collecte d’énergie en traction et 22,4% pour la collecte d’énergie en torsion.
À quoi sont dues ces performances exceptionnelles ? Selon Baughman, elles reposent essentiellement sur des mécanismes supplémentaires de collecte d’énergie au niveau des déformations latérales lors de l’étirement ou de la torsion du fil. Le fait de mettre les trois brins en contact les uns avec les autres semble affecter les propriétés électriques du fil. « Lorsque vous les étirez, au lieu de devenir moins denses, ils deviennent plus denses. Cette densification rapproche les nanotubes de carbone et contribue à leur capacité à capter l’énergie », précise le chercheur.
La structure à trois brins fournissait les meilleurs résultats, mais l’équipe doit encore éclaircir les raisons qui confèrent à cette configuration des performances optimales. En attendant, elle a déposé une demande de brevet pour cette technologie.