Mechaniczna sprężyna wraca do łask – w wersji nano

Nanorurki węglowe (CNTs) to jedna z alotropowych form węgla. Wyglądają jak pojedyncza warstwa atomów węgla zwinięta w rurkę o średnicy zaledwie kilku nanometrów. Charakterystyczne jest to, że długość tych rurek jest zazwyczaj tysiące lub nawet miliony razy większa niż ich średnica. Najdłuższa wyprodukowana miała długość około 50 cm, choć zazwyczaj mierzą one kilka mikrometrów lub milimetrów. Materiały te wzbudzają duże zainteresowanie m.in. ze względu na swoje właściwości mechaniczne – są lżejsze, mocniejsze i bardziej wytrzymałe na rozciąganie niż stal.

Zespół pod kierownictwem Katsumiego Kaneko wytworzył, zebrał i skręcił dużą liczbę nanorurek, podobnie jak skręca się tradycyjną linę. Uzyskana struktura miała średnicę rzędu mikrometrów, a dzięki silnemu skręceniu magazynowała znaczną ilość energii mechanicznej. Jak piszą autorzy: „Łatwo zapomnieć, że mechaniczne sprężyny od dawna zapewniały odwracalne magazynowanie energii w urządzeniach osobistych, takich jak zegarki i migawki aparatów fotograficznych. Omawiana tutaj sprężyna skrętna z lin CNT zasadniczo nie różni się od nakręcanych sprężyn ze stali”.

Dokładny pomiar jej energii stanowił wyzwanie, ponieważ mówimy tutaj o splecionych nanowłóknach, ale zespół przygotował w tym celu specjalne stanowisko pomiarowe, połączone z mikroskopem i kamerą do szybkich zdjęć. Wykazano, że węglowa lina kumuluje w sobie nawet do 2 MJ/kg. Po przeliczeniu na watogodziny daje to prawie 600 Wh/kg, czyli dwukrotnie więcej niż komercyjnie dostępne baterie litowo-jonowe. Zdolność liny do oddawania skumulowanej energii została opisana przez zespół jako zdolność do nakręcenia małego dysku, 8000 razy cięższego niż sama linka – co przypomina nakręcanie sprężyny. Kiedy dysk został zwolniony, linka zaczęła się rozkręcać, obracając dyskiem w drugą stronę. Wydajność takiego odzysku energii wyliczono na 22 proc.

Aplikacja takich mikrolinek może stanowić duże wyzwanie, ale autorzy piszą, że na razie powinny one znaleźć zastosowanie w miejscach, gdzie nie potrzeba dużej mocy, za to wymagana jest niska toksyczność i małe wymiary – np. w medycynie.