Θερμοηλεκτρικό υλικό με διαταγμένους νανοσωλήνες

Το πρώτο θερμοηλεκτρικό υλικό στον κόσμο βασισμένο σε παραγγελίες νανοσωλήνων αναπτύχθηκε από μια ομάδα επιστημόνων από το Τμήμα Λειτουργικών Νανοσυστημάτων και Υλικών Υψηλής Θερμοκρασίας του Εθνικού Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας "MISiS" σε συνεργασία με ερευνητές του Σουηδικού Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Lulelo και του Πανεπιστημίου Jena με το όνομα Friedrich Schiller. Οι πληροφορίες για την καινοτόμο ανάπτυξη παρουσιάστηκαν με τη μορφή ενός άρθρου στο περιοδικό Advanced Functional Materials.

Το νέο υλικό έχει πολυμερική φύση, επομένως είναι εύκαμπτο. Επιπλέον, εδώ χρησιμοποιήθηκε ένα πρόσθετο από νανοσωλήνες, το οποίο βελτιώνει σημαντικά την ηλεκτρική του αγωγιμότητα. Οι προοπτικές για το υλικό είναι κολοσσιαίες. Κατ 'αρχήν, ισχύει για τη χρέωση των κινητών συσκευών χωρίς την ανάγκη για άλλες παραδοσιακές πηγές ενέργειας. Ένα βραχιόλι ή θήκη για ένα smartphone, κατασκευασμένο από νέο υλικό, θα σας επιτρέψει να φορτίσετε μικρές φορητές συσκευές κυριολεκτικά από τη θερμότητα του ανθρώπινου σώματος.

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά περιλαμβάνουν χημικές ενώσεις και κράματα μετάλλων ικανά να μετατρέπουν τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια παρουσία διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ τμημάτων δείγματος κατασκευασμένου από ένα τέτοιο υλικό. Αν συνδέετε αγωγούς σε ένα στοιχείο κατασκευασμένο από αυτό το υλικό, μπορείτε να λάβετε ηλεκτρική ενέργεια μέσω αυτών.

Θυμηθείτε ότι το θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα, επίσης γνωστό ως Effect Seebeck, ανακαλύφθηκε από το γερμανικό φυσικό Thomas Seebeck το 1821. Και για μεγάλο χρονικό διάστημα, μόνο τα κράματα χρησιμοποιήθηκαν ως θερμοηλεκτρικά υλικά για θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, δίνοντας απόδοση μόνο περίπου 10%. Και για να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση από ένα τέτοιο στοιχείο, ήταν απαραίτητο να εξασφαλιστεί μια διαφορά θερμοκρασίας εκατοντάδων βαθμών, η οποία είναι τεχνικά δύσκολο να γίνει.

Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες αναζητούν ενεργά εναλλακτικές λύσεις στα θερμοηλεκτρικά κράματα. Βρέθηκε ένα διάλυμα - κατάλληλα πολυμερή υλικά. Τα πολυμερή υλικά που λαμβάνονται ως βάση σας επιτρέπουν να δημιουργήσετε δείγματα θερμοηλεκτρικούς μετατροπείςικανή να λειτουργεί ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.

Επιπλέον, τα περισσότερα πολυμερή είναι μη τοξικά και έχουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, πράγμα που ελαχιστοποιεί την άχρηστη διάχυση της θερμότητας που τους παρέχεται. Σε αντίθεση με τα κράματα μετάλλων, τα πολυμερή έχουν εξαιρετική ευκαμψία, πράγμα που σημαίνει ότι, κατ 'αρχήν, μπορούν να κατασκευαστούν θερμοσκληρυντές οποιουδήποτε επιθυμητού σχήματος.

Το πρώτο δείγμα παγκοσμίως ενός τροποποιημένου πολυμερούς με διαταγμένους και επιμήκεις νανοσωλήνες διατεταγμένους χρησιμοποιώντας ένα πολύ ελπιδοφόρο πολυμερές - πολυαιθυλενοδιοξυθειοφαίνιο. Αυτό το πολυμερές αυτό καθεαυτό χαρακτηρίζεται από υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, επιπροσθέτως, η αγωγιμότητα μπορεί να ενισχυθεί περαιτέρω με την προσθήκη χημικών εγκλεισμάτων στην πολυμερή μήτρα του αρχικού υλικού.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει τη διαδικασία κατασκευής ενός σύνθετου υλικού χρησιμοποιώντας ένα στρώμα πολυβινυλοβουτυράλης για τη μεταφορά εύκαμπτων κυρτών υποστρωμάτων.

Τα παρακάτω δείχνουν ένα σύνθετο υλικό που έχει μεταφερθεί με επιτυχία σε τρία υποστρώματα διαφόρων σχημάτων, όπως καμπύλη επιφάνεια και εύκαμπτη υποστήριξη.

Οι εικόνες που παρουσιάζονται δείχνουν την πιθανή χρήση του νέου υλικού ως "δομικά στοιχεία" για διάφορους σκοπούς, μέχρι τη χρήση ως συμβατική επίστρωση για προϊόντα οποιουδήποτε σχήματος, συμπεριλαμβανομένων των εύκαμπτων μεμβρανών και των εύκαμπτων υποστρωμάτων.

Πρώτον, αναπτύχθηκε μια κατακόρυφα προσανατολισμένη σειρά νανοσωλήνων άνθρακα σε υπόστρωμα ημιαγωγού.Μετά - οι νανοσωλήνες επιμηκύνθηκαν οριζόντια. Στη συνέχεια, η σειρά των νανοσωληνίσκων γεμίστηκε με πολυμερές.

Από τότε που αναπτύσσονται οι νανοσωλήνες, συχνά συσσωρεύονται, σχηματίζοντας περίεργες συσσωματώσεις, προκειμένου να εξαλειφθούν τέτοιες συσσωρεύσεις σε ένα σημείο, το υλικό υποβλήθηκε σε επακόλουθη κατεργασία με αιθυλενογλυκόλη και διμεθυλοσουλφοξείδιο. Μετά την ολοκλήρωση του τελευταίου σταδίου επεξεργασίας, η ειδική ισχύς του υλικού αυξήθηκε περισσότερο από 4 φορές, δηλαδή περίπου 92 μW * mK ^ (-2).

Ένα από τα μέλη της επιστημονικής ομάδας του Τμήματος Λειτουργικών Νανοσυστημάτων και Υλικών Υψηλής Θερμοκρασίας του Εθνικού Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας "MISiS", υποψήφιος φυσικών και μαθηματικών επιστημών Habib Yusupov ισχυρίζεται ότι τα ληφθέντα χαρακτηριστικά θα επιτρέψουν τη χρήση νέων υλικών για τη δημιουργία θερμοηλεκτρικών μετατροπέων ικανών να μετατρέψουν τη θερμότητα του ανθρώπινου σώματος σώματα με θερμοκρασία δωματίου) σε ηλεκτρική ενέργεια. Για παράδειγμα, μπορείτε να δημιουργήσετε ένα βραχιόλι στο χέρι σας ή ένα κάλυμμα για το τηλέφωνό σας, το οποίο μπορεί να τροφοδοτεί συνεχώς τη συσκευή χωρίς να χρειάζεται πρόσθετη πηγή ενέργειας.