Забравете търсенето на електрически контакт; топлината от китката ви скоро може да е достатъчна, за да поддържа вашия смарт часовник да работи за неопределено време. Някога концепция, ограничена до научната фантастика, тази идея се доближава до реалността.
Екип от китайски учени разработи революционно пластмасово фолио, способно да преобразува топлината на тялото – или дори топлината от автомобилен двигател – в електричество с рекордна производителност. Проучването, публикувано в петък в списание Science, се занимава с голямо предизвикателство, пред което са изправени носимите технологии от следващо поколение и сензорите за интернет на нещата: устойчиво производство на енергия.
С широкото използване на смарт часовници, фитнес тракери и медицински лепенки необходимостта от ежедневно зареждане се превърна в значително неудобство. За да се справят с това, учените проучват начини да използват топлината от тялото или околната среда за генериране на електричество с помощта на термоелектрически материали.
Термоелектричните материали функционират чрез ефекта на Seebeck, където температурен градиент в материала кара електроните да се движат от горещата към студената страна, генерирайки електрически ток. Традиционно най-ефективните термоелектрически материали са неорганичните полупроводници, които обикновено са твърди, тежки и често съдържат токсични елементи. Въпреки че гъвкавите органични полимери предлагат предимства като леки, гъвкави и подходящи за печат на голяма площ, те се борят да постигнат сравнима производителност.
Лиу Лияо, автор на изследването и доцент в Института по химия, Китайската академия на науките, посочи, че предизвикателството се крие в присъщия компромис на молекулярно ниво в органичните термоелектрически материали.
„Термоелектрическите материали с висока производителност трябва да отговарят на две противоречиви изисквания: от една страна, те трябва да сведат до минимум топлопроводимостта, за да поддържат устойчив температурен градиент в материала; от друга страна, те изискват висока електрическа проводимост, за да осигурят ефективен транспорт на носители на заряд“, каза Лиу, отбелязвайки, че за повечето материали тези две свойства вървят ръка за ръка, обратно на оптималната производителност.
След години на посветено изследване на термоелектрическите материали, екипът разработи полимерен филм с нова йерархична пореста структура. Тази структура включва пори с различни размери, вариращи от нанометри до микрометри, както и неправилни форми и неподредено пространствено разпределение.
Лиу каза, че хаотичната, пълна с дупки структура действа като пресечена планинска верига за топлина, което затруднява отскачането на горещи вълни. Междувременно тесните канали между порите ограничават полимерните молекули да се подредят в спретнати, подредени редове, създавайки пътища с ниско съпротивление за транспортиране на електрони, като автомобили, които се движат без усилие по магистрали в планински райони.
Този дизайн постигна 72-процентно намаление на топлопроводимостта, като същевременно увеличи мобилността на носителя с 52 процента, ефективно отделяйки тези традиционно конкуриращи се свойства.
Новият пластмасов филм също така демонстрира най-добрата производителност сред гъвкавите термоелектрически материали при стайна температура, постигайки рекордно висока термоелектрическа стойност – индикатор, използван за описване на термоелектрична ефективност, с по-висок резултат, представляващ по-добра производителност – от 1,64 при около 70C, температура, подходяща за много индустриални приложения и приложения за телесна топлина. Това разбива предишния рекорд за гъвкави материали от 1,4.
Лабораторен експеримент потвърди осъществимостта на конструкцията. Прикрепването на интегрирания филм, който е с дължина 10 сантиметра и ширина 8 сантиметра, към човешкото тяло може да генерира изходно напрежение от 9 миливолта. Изчислено е, че когато се мащабира до размерите на стената, този материал потенциално може да захранва приложения с ултра ниска мощност, като безжични сензори.
„Тази структура е съвместима с техниките за промишлен печат, което позволява потенциалното широкомащабно производство на тази „пластмаса, генерираща енергия“, каза Лиу.
С по-нататъшна оптимизация, включително намаляване на разходите и стабилизиране на производителността, тя може да разшири приложенията не само към носима електроника, но и към разпределени зелени енергийни системи и дори базирано в космоса генериране на електроенергия, добави тя.
Нашия източник е Българо-Китайска Търговско-промишлена палaта
