Materiał termoelektryczny z uporządkowanymi nanorurkami

Pierwszy na świecie materiał termoelektryczny oparty na uporządkowanych nanorurkach został opracowany przez grupę naukowców z Wydziału Funkcjonalnych Nanosystemów i Materiałów Wysokotemperaturowych Narodowego Uniwersytetu Nauki i Technologii „MISiS” we współpracy z naukowcami ze Szwedzkiego Uniwersytetu Technologicznego Luleleau i Uniwersytetu Jeny im. Friedricha Schillera. Informacje o innowacyjnym rozwoju zostały przedstawione w formie artykułu w czasopiśmie Advanced Functional Materials.

Nowy materiał ma charakter polimerowy, więc jest elastyczny. Ponadto zastosowano tutaj dodatek wykonany z nanorurek, co znacznie poprawia jego przewodność elektryczną. Perspektywy tego materiału są kolosalne. Zasadniczo ma zastosowanie do ładowania gadżetów mobilnych bez potrzeby korzystania z innych tradycyjnych źródeł energii. Bransoletka lub etui na smartfona, wykonane z nowego materiału, pozwolą ładować małe urządzenia przenośne dosłownie z gorąca ludzkiego ciała.

Materiały termoelektryczne obejmują związki chemiczne i stopy metali zdolne do przekształcania ciepła w energię elektryczną w obecności różnicy temperatur między częściami próbki wykonanej z takiego materiału. Jeśli podłączysz przewodniki do elementu wykonanego z tego materiału, możesz przez nie otrzymywać energię elektryczną.

Przypomnij sobie, że efekt termoelektryczny, znany również jako Efekt Seebecka, został odkryty przez niemieckiego fizyka Thomasa Seebecka w 1821 r. I przez długi czas tylko stopy były wykorzystywane jako materiały termoelektryczne do generatorów termoelektrycznych, co daje wydajność tylko około 10%. Aby osiągnąć maksymalną wydajność takiego elementu, konieczne było zapewnienie różnicy temperatur o wartości setek stopni, co jest technicznie trudne.

W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy aktywnie szukali alternatyw dla stopów termoelektrycznych. Znaleziono rozwiązanie - odpowiednie materiały polimerowe. Materiały polimerowe przyjęte jako podstawa pozwalają na tworzenie próbek konwertery termoelektrycznezdolny do pracy nawet w temperaturze pokojowej.

Ponadto większość polimerów jest nietoksyczna i ma niską przewodność cieplną, co minimalizuje niepotrzebne rozpraszanie dostarczanego im ciepła. W przeciwieństwie do stopów metali, polimery mają doskonałą elastyczność, co oznacza, że ​​w zasadzie można z nich wytwarzać termogeneratory o dowolnym pożądanym kształcie.

Pierwsza na świecie próbka zmodyfikowanego polimeru z uporządkowanymi i wydłużonymi nanorurkami ułożonymi przy użyciu bardzo obiecującego polimeru - polietylenodioksytiofenu. Ten polimer sam w sobie charakteryzuje się wysoką przewodnością elektryczną, ponadto przewodnictwo można dodatkowo poprawić przez dodanie wtrąceń chemicznych w matrycy polimerowej materiału wyjściowego.

Powyższy rysunek pokazuje proces wytwarzania materiału kompozytowego przy użyciu warstwy poliwinylobutyralu do przenoszenia elastycznych zakrzywionych podłoży.

Poniżej pokazano kompozyt, który z powodzeniem przeniesiono na trzy podłoża o różnych kształtach, w tym zakrzywioną powierzchnię i elastyczne podłoże.

Pokazane zdjęcia pokazują potencjalne zastosowanie nowego materiału jako „elementów budulcowych” do różnych celów, aż do zastosowania jako powłoki konformalnej dla produktów o dowolnym kształcie, w tym zginanych folii i elastycznych podłoży.

Po pierwsze, pionowy układ nanorurek węglowych wyhodowano na podłożu półprzewodnikowym.Po - nanorurki wydłużono poziomo. Następnie szereg nanorurek wypełniono polimerem.

Ponieważ gdy hodowane są nanorurki, często kumulują się, tworząc osobliwe aglomeracje, w celu wyeliminowania takich akumulacji w jednym punkcie, materiał został poddany dalszej obróbce glikolem etylenowym i dimetylosulfotlenkiem. Po zakończeniu ostatniego etapu przetwarzania moc właściwa materiału wzrosła ponad 4 razy, to znaczy do około 92 μW * mK ^ (- 2).

Jeden z uczestników grupy naukowej z Wydziału Funkcjonalnych Nanosystemów i Materiałów Wysokotemperaturowych NUST „MISiS”, kandydat nauk fizycznych i matematycznych Habib Yusupov twierdzi, że uzyskane cechy pozwolą na zastosowanie nowego materiału do stworzenia konwerterów termoelektrycznych, które mogą przekształcać ciepło w ciele ludzkim (to znaczy pracować nad różnicami temperatur ciała o temperaturze pokojowej) w energię elektryczną. Na przykład możesz stworzyć bransoletkę na dłoni lub pokrowiec na telefon, który może stale zasilać urządzenie bez potrzeby dodatkowego źródła energii.