Termoelektriskt material med beställda nanorör

Världens första termoelektriska material baserat på beställda nanorör utvecklades av en grupp forskare från Institutionen för funktionella nanosystem och högtemperaturmaterial vid National University of Science and Technology ”MISiS” i samarbete med forskare från svenska tekniska universitetet Lulelo och Jena University uppkallad efter Friedrich Schiller. Information om innovativ utveckling presenterades i form av en artikel i tidskriften Advanced Functional Materials.

Det nya materialet har en polymerkaraktär, så det är flexibelt. Dessutom användes här ett tillsatsmedel av nanorör, vilket avsevärt förbättrar dess elektriska ledningsförmåga. Utsikterna för materialet är kolossala. I princip är det tillämpligt för laddning av mobila prylar utan behov av andra traditionella energikällor. Ett armband eller etui för en smartphone, gjord av nytt material, gör att du kan ladda små bärbara enheter bokstavligen från människans värme.

Termoelektriska material inkluderar kemiska föreningar och metalllegeringar som kan omvandla värme till elektrisk energi i närvaro av en temperaturskillnad mellan delar av ett prov tillverkat av ett sådant material. Om du ansluter ledare till ett element tillverkat av detta material kan du få elektrisk energi genom dem.

Kom ihåg att den termoelektriska effekten, även känd som Seebeck-effekt, upptäcktes av den tyska fysikern Thomas Seebeck 1821. Och under lång tid användes endast legeringar som termoelektriska material för termoelektriska generatorer, vilket gav en effektivitet på endast cirka 10%. Och för att uppnå maximal effektivitet från ett sådant element var det nödvändigt att säkerställa en temperaturskillnad på hundratals grader, vilket är tekniskt svårt att göra.

Under de senaste åren har forskare aktivt letat efter alternativ till termoelektriska legeringar. En lösning hittades - lämpliga polymermaterial. De polymera materialen som tas som grund låter dig skapa prover termoelektriska omvandlarekan arbeta även vid rumstemperatur.

Dessutom är de flesta polymerer icke-toxiska och har låg värmeledningsförmåga, vilket minimerar den värdelösa spridningen av värmen som tillförs dem. Till skillnad från metalllegeringar har polymerer utmärkt flexibilitet, vilket innebär att i princip termogeneratorer med vilken önskad form som helst kan tillverkas av dem.

Världens första prov av en modifierad polymer med beställda och långsträckta nanorör arrangerade med en mycket lovande polymer - polyetylendioxytiofen. Denna polymer i sig kännetecknas av hög elektrisk konduktivitet, dessutom kan konduktiviteten förbättras ytterligare genom tillsats av kemiska inneslutningar i polymermatrisen i utgångsmaterialet.

Figuren ovan visar tillverkningsprocessen av ett kompositmaterial med användning av ett lager av polyvinylbutyral för att överföra flexibla krökta underlag.

Följande visar en komposit som framgångsrikt har överförts till tre underlag i olika former, inklusive en krökt yta och ett flexibelt stöd.

Dessa bilder visar den potentiella användningen av det nya materialet som "byggstenar" för olika ändamål, fram till användning som en överensstämmande beläggning för produkter av alla former, inklusive böjbara filmer och flexibla underlag.

Först odlades en vertikalt orienterad mängd kolnanorör på ett halvledarsubstrat.Efter - nanorören förlängdes horisontellt. Därefter fylldes matrisen av nanorör med polymer.

Eftersom när nanorör odlas ackumuleras de ofta och bildar speciella agglomerationer, för att eliminera sådana ansamlingar på en punkt, utsattes materialet för efterföljande bearbetning med etylenglykol och dimetylsulfoxid. Efter det sista behandlingssteget ökade materialets specifika effekt med mer än fyra gånger, det vill säga till cirka 92 μW * mK ^ (- 2).

En av deltagarna i den vetenskapliga gruppen från avdelningen för funktionella nanosystem och högtemperaturmaterial i NUST “MISiS”, kandidat för fysiska och matematiska vetenskaper Habib Yusupov hävdar att de erhållna egenskaperna kommer att möjliggöra användning av nytt material för att skapa termoelektriska omvandlare som kan konvertera värmen från människokroppen (det vill säga arbeta med temperaturskillnader kroppar med rumstemperatur) till elektrisk energi. Till exempel kan du skapa ett armband på din hand eller ett lock till din telefon, som ständigt kan driva enheten utan behov av en extra energikälla.