Первый в мире термоэлектрический материал на основе упорядоченно расположенных нанотрубок разработала группа ученых с кафедры Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» в сотрудничестве с исследователями из шведского Технологического Университета Лулело и Йенского университета имени Фридриха Шиллера. Информация о новаторской разработке была представлена в форме статьи в журнале Advanced Functional Materials.
Новый материал имеет полимерную природу, поэтому отличается гибкостью. Кроме того здесь использована добавка из нанотрубок, многократно улучшающая его электропроводность. Перспективы материала колоссальны. Он в принципе применим для зарядки мобильных гаджетов без необходимости использования других традиционных источников энергии. Браслет или чехол для смартфона, изготовленный из нового материала, позволит заряжать небольшие портативные устройства буквально от тепла человеческого тела.
К термоэлектрическим материалам относятся химические соединения и сплавы металлов, способные преобразовывать тепло в электрическую энергию при наличии разницы температур между частями образца, изготовленного из такого материала. Если присоединить к элементу, изготовленному из данного материала, проводники, то через них можно получать электрическую энергию.
Напомним, что термоэлектрический эффект, также известный как эффект Зеебека, был открыт немецким физиком Томасом Зеебеком в 1821 году. И на протяжении длительного времени в качестве термоэлектрических материалов для термогенераторов применялись исключительно сплавы, дававшие КПД всего около 10%. И то, чтобы достичь максимальной эффективности от такого элемента, необходимо было обеспечить разницу температур в сотни градусов, что технически сделать непросто.
В последние несколько лет ученые активно искали альтернативы термоэлектрическим сплавам. Решение было найдено — подходят полимерные материалы. Полимерные материалы, взятые за основу, позволяют создавать образцы термоэлектрических преобразователей, способные работать даже при комнатной температуре.
К тому же большинство полимеров нетоксичны и отличаются небольшой теплопроводностью, что сводит к минимуму бесполезное рассеивание подводимого к ним тепла. В отличие от металлических сплавов, полимеры обладают превосходной гибкостью, а значит из них в принципе можно изготавливать термогенераторы любых желаемых форм.
Первый в мире образец модифицированного полимера с расположенными упорядоченно и вытянутыми нанотрубками изготовлен с использованием очень перспективного полимера — полиэтилендиокситиофена. Данный полимер сам по себе отличается высокой электрической проводимостью, к тому же проводимость можно еще более усилить, добавлением химических включений в полимерную матрицу исходного материала.
На рисунке выше изображен процесс изготовления композитного материала с применением слоя поливинилбутирала для переноса гибких изогнутых подложек.
Далее показан композит, успешно перенесенный на три подложки разных форм, включая изогнутую поверхность и гибкую опору.
Приведенные изображения показывают потенциальные возможности применения нового материала в качестве «строительных блоков» различного назначения, вплоть до использования в качестве конформного покрытия для изделий любых форм, включая сгибаемые пленки и гибкие подложки.
Первым делом на полупроводниковой подложке был выращен вертикально ориентированный массив углеродных нанотрубок. После — нанотрубки были вытянуты по горизонтальной плоскости. Затем массив нанотрубок залили полимером.
Так как при выращивании нанотрубок они часто скапливаются, образуя своеобразные агломерации, для устранения подобных скоплений в одной точке, материал подвергли последующей обработке этиленгликолем и диметилсульфоксидом. По завершении последнего шага обработки, удельная мощность материала возросла более чем в 4 раза, то есть примерно до 92 мкВт*мК-2.
Один из участников научной группы с кафедры Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС», кандидат физико-математических наук Хабиб Юсупов утверждает, что полученные характеристики позволят использовать новый материал для создания термоэлектрических преобразователей, способных преобразовывать тепло человеческого тела (то есть работать на разности температуры тела с комнатной температурой) в электрическую энергию. К примеру можно будет создать браслет на руку или чехол для телефона, который сможет постоянно питать устройство без надобности в дополнительном источнике энергии.
Андрей Повный
