Wie wir menschliche Wärme in Elektrizität umwandelten

Wissenschaftler von NUST „MISiS“ entwickelten zusammen mit Kollegen der Technologischen Universität Lulelo (Schweden) und der nach Friedrich Schiller (Deutschland) benannten Universität Jena das weltweit erste thermoelektrische Material mit geordneten Nanoröhren.

Aufgrund seiner polymeren Natur ist es flexibel und die mehrmalige Zugabe von Nanoröhren erhöht seine elektrische Leitfähigkeit. In Zukunft kann ein solches Material zum Laden mobiler Geräte ohne zusätzliche Stromquelle verwendet werden: Ein solches Armband oder Gehäuse würde das Laden einer Uhr oder eines Telefons direkt aus der Wärme des menschlichen Körpers ermöglichen. Ein Artikel zur Entwicklung wird in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht .

Thermoelektrische Materialien - chemische Verbindungen oder Metalllegierungen, die aufgrund des Temperaturunterschieds an den Verbindungspunkten der Leiter mit der Platte Wärme in Elektrizität umwandeln können. Dieser Effekt wurde bereits 1821 vom deutschen Physiker Thomas Seebeck entdeckt. Lange Zeit wurden verschiedene Legierungen als Werkstoffe für Wärmeerzeuger eingesetzt. Sie ergeben jedoch keinen sehr hohen Wirkungsgrad - etwa 10%. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte die Plattenerwärmung in der Größenordnung von mehreren hundert Grad liegen.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler begonnen, nach einer Alternative zur thermoelektrischen Legierung zu suchen - und diese in Polymermaterialien gefunden. Solche Materialien arbeiten auch bei Raumtemperatur, sind ungiftig, haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit (sie minimieren die Wärmeableitung nach außen). Darüber hinaus sind Polymere im Gegensatz zu Metalllegierungen sehr flexibel - einem solchen Thermogenerator kann nahezu jede gewünschte Form gegeben werden.

Ein Team von Wissenschaftlern der Abteilung für funktionelle Nanosysteme und Hochtemperaturmaterialien von NUST „MISiS“ erstellte zusammen mit Kollegen der Technologischen Universität Lulelo (Schweden) und der nach Friedrich Schiller (Deutschland) benannten Universität Jena die weltweit erste modifizierte Version des Polymers mit länglichen und geordneten Nanoröhren. Wissenschaftler verwendeten eines der vielversprechendsten Polymere - Polyethylendioxythiophen (PEDOT). Es hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die durch chemische Einschlüsse in der Polymermatrix weiter verbessert werden kann.


(Oben) Schematische Darstellung der Herstellung eines TE-Verbundwerkstoffs unter Verwendung einer PVB-Schicht zur Übertragung auf gekrümmte oder flexible Substrate. (Unten) Verbundwerkstoff auf VA-CNTF-Basis nach erfolgreichem Tragen auf drei verschiedenen Substraten, einschließlich stark gekrümmter Oberflächen und flexibler Träger. Diese Bilder zeigen das Potenzial neuer Materialien als Bausteine ​​für verschiedene TE-Anwendungen, einschließlich unregelmäßig geformter konformer Beschichtung, präziser Beschichtung auf flexiblen Substraten und der Erzeugung biegbarer Filme.

Zuerst wurde ein vertikal ausgerichteter „Wald“ aus Kohlenstoffnanoröhren auf einem Halbleitersubstrat gezüchtet, dann wurden sie horizontal verlängert. Die Nanoröhren wurden oben mit Polymer "geflutet". Da Nanoröhren während des Wachstumsprozesses häufig an einem Punkt (Agglomeration) Cluster bilden, um solche Cluster zu neutralisieren, wurde das Material mit Dimethylsulfoxid und Ethylenglykol nachbehandelt.

Nach einem vollständigen Behandlungszyklus erhöhte sich der Materialleistungsfaktor um mehr als das Vierfache auf ~ 92 µW · mK-2.

Laut dem Teilnehmer der wissenschaftlichen Gruppe von der Seite von NUST "MISiS", Ph.D. N., Khabib Yusupov , mit solchen Eigenschaften des Materials können die Produkte daraus sogar die Wärme des menschlichen Körpers (im Gegensatz zur Raumtemperatur) in nützliche Elektrizität umwandeln. Wenn beispielsweise aus einem solchen Polymer ein Armband für Uhren oder ein Gehäuse für ein Mobiltelefon hergestellt wurde, können Geräte ohne zusätzliche Stromquelle kontinuierlich mit Strom versorgt werden.