Materiale termoelettrico con nanotubi ordinati

Il primo materiale termoelettrico al mondo basato su nanotubi ordinati è stato sviluppato da un gruppo di scienziati del Dipartimento di nanosistemi funzionali e materiali ad alta temperatura dell'Università Nazionale di Scienza e Tecnologia "MISiS" in collaborazione con ricercatori dell'Università svedese di tecnologia Lulelo e dell'Università Jena intitolata a Friedrich Schiller. Le informazioni sullo sviluppo innovativo sono state presentate sotto forma di un articolo sulla rivista Advanced Functional Materials.

Il nuovo materiale ha una natura polimerica, quindi è flessibile. Inoltre, qui è stato utilizzato un additivo a base di nanotubi, che migliora notevolmente la sua conduttività elettrica. Le prospettive per il materiale sono colossali. In linea di principio, è applicabile per la ricarica di gadget mobili senza la necessità di altre fonti energetiche tradizionali. Un braccialetto o una custodia per smartphone, realizzati con nuovo materiale, ti permetteranno di caricare piccoli dispositivi portatili letteralmente dal calore del corpo umano.

I materiali termoelettrici comprendono composti chimici e leghe metalliche in grado di convertire il calore in energia elettrica in presenza di una differenza di temperatura tra le parti di un campione costituito da tale materiale. Se si collegano i conduttori a un elemento realizzato con questo materiale, è possibile ricevere energia elettrica attraverso di essi.

Ricordiamo che l'effetto termoelettrico, noto anche come Effetto Seebeck, fu scoperto dal fisico tedesco Thomas Seebeck nel 1821. E per molto tempo, solo le leghe sono state utilizzate come materiali termoelettrici per i generatori termoelettrici, con un'efficienza di solo il 10% circa. E al fine di ottenere la massima efficienza da un tale elemento, era necessario garantire una differenza di temperatura di centinaia di gradi, che è tecnicamente difficile da fare.

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno cercato attivamente alternative alle leghe termoelettriche. È stata trovata una soluzione: materiali polimerici adatti. I materiali polimerici presi come base consentono di creare campioni convertitori termoelettriciin grado di funzionare anche a temperatura ambiente.

Inoltre, la maggior parte dei polimeri sono atossici e hanno una bassa conduttività termica, il che riduce al minimo l'inutile dissipazione del calore fornito loro. A differenza delle leghe metalliche, i polimeri hanno un'eccellente flessibilità, il che significa che, in linea di principio, da essi possono essere realizzati termogeneratori di qualsiasi forma desiderata.

Il primo campione al mondo di un polimero modificato con nanotubi ordinati e allungati disposti utilizzando un polimero molto promettente - il polietilendioxythiophene. Questo polimero in sé è caratterizzato da un'elevata conduttività elettrica, inoltre, la conduttività può essere ulteriormente migliorata dall'aggiunta di inclusioni chimiche nella matrice polimerica del materiale di partenza.

La figura sopra mostra il processo di fabbricazione di un materiale composito usando uno strato di polivinil-butirrale per trasferire substrati curvi flessibili.

Di seguito viene mostrato un composito che è stato trasferito con successo su tre substrati di varie forme, tra cui una superficie curva e un supporto flessibile.

Queste immagini mostrano il potenziale utilizzo del nuovo materiale come "elementi costitutivi" per vari scopi, fino all'utilizzo come rivestimento conforme per prodotti di qualsiasi forma, inclusi film pieghevoli e substrati flessibili.

Innanzitutto, una matrice orientata verticalmente di nanotubi di carbonio è stata coltivata su un substrato semiconduttore.Dopo - i nanotubi sono stati allungati orizzontalmente. Quindi la matrice di nanotubi è stata riempita di polimero.

Da quando i nanotubi vengono coltivati, spesso si accumulano, formando particolari agglomerati, al fine di eliminare tali accumuli ad un certo punto, il materiale è stato sottoposto a successiva elaborazione con glicole etilenico e dimetilsolfossido. Al completamento dell'ultima fase di lavorazione, la potenza specifica del materiale è aumentata di oltre 4 volte, cioè a circa 92 μW * mK ^ (- 2).

Uno dei partecipanti al gruppo scientifico del Dipartimento di nanosistemi funzionali e materiali ad alta temperatura di NUST "MISiS", candidato di scienze fisiche e matematiche Habib Yusupov afferma che le caratteristiche ottenute consentiranno l'uso di nuovo materiale per creare convertitori termoelettrici in grado di convertire il calore del corpo umano (vale a dire, lavorare sulle differenze di temperatura corpi con temperatura ambiente) in energia elettrica. Ad esempio, è possibile creare un braccialetto sulla mano o una cover per il telefono, che può alimentare costantemente il dispositivo senza la necessità di una fonte di energia aggiuntiva.