Bobine termoelettriche 3D come componenti attivi di sistemi flessibili e deformabili per raccogliere energia elettrica per tecnologie indossabili. A) Illustrazione schematica della fabbricazione e dell'assemblaggio 3D. I materiali di tipo p e n a film sottile sono stati modellati in forme serpentine 2D e trasferiti su uno strato di poliimmide (PI) per formare i materiali attivi. Le strutture precursori 2D sono state completate con giunzioni metalliche e un rivestimento superficiale di PI modellato tramite fotolitografia e incisione. Il legame chimico di tali sistemi a substrati di silicone prestrutturati in posizioni selettive è stato seguito dal prestiro per avviare un processo di trasformazioni geometriche per ottenere l'architettura 3D finale. B) Immagini ottiche delle bobine termoelettriche 3D risultanti. La geometria della struttura e il substrato in elastomero combinati per fornire robustezza meccanica contro la manipolazione e la deformazione meccanica. C) Un array di 8 x 8 bobine. La vista ingrandita mostra che la struttura 3D è coerente con la geometria prevista da FEA. Il profilo colorato rappresenta la tensione nella gamba in silicone. D) L'array 8 x 8 può essere fissato alla pelle del polso e della caviglia. Credito fotografico:Xiwei Shan, Laboratorio UIUC, Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aau5849.
I dispositivi a semiconduttore miniaturizzati con funzionalità di raccolta dell'energia hanno aperto la strada a tecnologie e sensori indossabili. Sebbene i sistemi termoelettrici presentino caratteristiche interessanti in questo contesto, la capacità di mantenere grandi differenze di temperatura tra i terminali dei dispositivi rimane sempre più difficile da ottenere con le tendenze accelerate nella miniaturizzazione dei dispositivi. Di conseguenza, un gruppo di scienziati in scienze applicate e ingegneria ha sviluppato e dimostrato una proposta su una soluzione architettonica al problema in cui i materiali attivi a film sottile ingegnerizzati sono integrati in forme tridimensionali flessibili (3D).
L'approccio ha consentito un adattamento efficiente dell'impedenza termica, e flusso di calore moltiplicato attraverso la mietitrice per aumentare la conversione di potenza efficiente. Nello studio condotto da Kewang Nan e colleghi, sono stati costruiti array interconnessi di bobine termoelettriche 3D con nastri in microscala del materiale attivo silicio monocristallino per dimostrare i concetti proposti. Successivamente sono state condotte misurazioni e simulazioni quantitative per stabilire i principi operativi di base e le caratteristiche chiave della progettazione della strategia. I risultati, ora pubblicato su Progressi scientifici , ha suggerito una strategia scalabile per distribuire film sottili termoelettrici duri all'interno di raccoglitori di energia che possono integrarsi in modo efficiente con sistemi di materiali morbidi, incluso il tessuto umano, per sviluppare sensori indossabili in futuro.
I dispositivi termoelettrici forniscono una piattaforma per incorporare gradienti termici onnipresenti che generano energia elettrica. Per far funzionare i sensori indossabili o i dispositivi "Internet of Things", il gradiente di temperatura tra l'ambiente circostante e il corpo umano/oggetti inanimati dovrebbe fornire alimentatori su piccola scala. I continui progressi nel campo si concentrano sul ridimensionamento aggressivo dei requisiti di alimentazione per i sistemi miniaturizzati per migliorare il loro potenziale nelle applicazioni termoelettriche e di raccolta dell'energia. Processori integrati e trasmettitori radio, ad esempio, possono funzionare con potenza nell'intervallo di subnanowatt, alcuni esempi recenti sono guidati dalla raccolta di energia basata sulla luce ambientale e dal potenziale endococleare. Tali piattaforme possono essere abbinate a sensori con potenza simile per abilitare la distribuzione distribuita, monitoraggio ambientale/biochimico continuo e remoto.
Due sfide chiave nello sviluppo di raccoglitori termoelettrici miniaturizzati includono la corrispondenza dell'impedenza termica richiesta e della conformità meccanica dei materiali attivi da integrare nei sistemi biologici. Un sistema ben sviluppato per la flessibilità del dispositivo include la combinazione di polimeri a film sottile con fogli metallici come fili o nastri. Nello studio, Nan et al propongono e dimostrano una soluzione sviluppando un sistema precursore bidimensionale (2-D) nello sviluppo di bobine elicoidali 3-D funzionali. La natura naturalmente flessibile delle bobine ha permesso ai sistemi di conformarsi a complesse superfici biologiche, anche quelli dinamici con il tempo, per garantire un ottimo contatto termico con la fonte di calore. Per di più, la natura 3-D del sistema ha fornito un aumento multiplo della superficie per una maggiore capacità di scambio termico per produrre la massima potenza.
L'architettura della bobina elicoidale termoelettrica è stata fabbricata utilizzando silicio monocristallino come materiale attivo. L'assieme guidato meccanicamente ha generato strutture elicoidali 3D da serpentine 2D tramite instabilità per compressione. Le serpentine incorporavano nastri di silicone con segmenti di tipo p e n, e il sistema è stato incapsulato sulla parte superiore e inferiore con rivestimenti polimerici. L'architettura ha consentito la trasformazione del sistema da 2-D a 3-D durante la distribuzione e l'utilizzo. Sebbene fortemente drogato con silicio, le bobine 3-D sono state in grado di fornire notevoli livelli di cedevolezza meccanica e robustezza durante le applicazioni di manipolazione e piegatura. L'assieme non ha deviato in modo significativo dalla geometria prevista utilizzando l'analisi degli elementi finiti (FEA). Tali caratteristiche del materiale hanno reso il sistema adatto a formare interfacce termiche intime con il corpo umano, come il polso o le caviglie.
Deformabilità meccanica e durabilità delle raccoglitrici termoelettriche 3D. A) distribuzioni simulate della deformazione nella gamba termoelettrica di silicio prima e dopo l'allungamento uniassiale nel piano del 60 percento. I risultati hanno indicato riduzioni della sollecitazione sull'allungamento come previsto in base all'instabilità di compressione utilizzata per formare strutture 3D. B) Risultati di prove sperimentali di durabilità che prevedono più cicli di allungamento e rilascio uniassiale su una struttura a spirale. I dati hanno indicato solo un piccolo aumento della resistenza elettrica. C) Immagini ottiche (in alto) e strutture simulate (in basso) dopo l'allungamento nel piano. D) Valori simulati della massima deformazione locale. È possibile una compressione massima del 26% prima di raggiungere la deformazione da frattura del silicio, il fattore limitante del sistema. Il riquadro mostra la struttura deformata dopo la compressione e include una mappa di distribuzione della deformazione della gamba di silicio accanto al punto di frattura. E) Misure sperimentali della resistenza del dispositivo a compressione verticale. Con una compressione del 40%, il dispositivo ha mostrato un comportamento a circuito aperto a causa della frattura del silicio. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aau5849.
Per migliorare le proprietà meccaniche e termiche delle bobine 3-D, gli scienziati hanno utilizzato il software FEA per l'ottimizzazione guidata dal calcolo del dispositivo risultante. In linea di principio, l'architettura 3-D del dispositivo era vantaggiosa per una raccolta efficace. Perciò, per disegno, il sistema di bobine elicoidali 3-D includeva una geometria rastremata che aumentava in larghezza verso l'alto come progettato utilizzando FEA per ottimizzare le risposte termiche e meccaniche. Lo schema di progettazione nello studio è stato migliorato specificamente per la raccolta in dispositivi in miniatura. La maggiore capacità di raffreddamento del design del dispositivo ha avuto maggiori vantaggi per contrastare eventuali perdite dovute al flusso di calore parassita nel sistema.
Nan e altri, ha anche condotto test di conformità meccanica sui dispositivi per comprendere la loro capacità di resistere a flessioni sostanziali, allungamento nel piano e compressione fuori dal piano, come per i rapporti precedenti. Le strutture 3D potrebbero essere allungate fino al 60 percento nella direzione nel piano per cento cicli e compresse verticalmente fino al 30 percento, con un degrado minimo delle proprietà elettriche. I dispositivi hanno mostrato un'eccezionale conformità meccanica come previsto da FEA. L'allungamento uniassiale su 200 cicli non ha provocato guasti elettrici o meccanici. La bobina 3-D ha mostrato resilienza con potenziale di integrazione interfacciale all'interno di dispositivi in miniatura.
Raccolta di energia con bobine termoelettriche e road map per il potenziamento della potenza. A) Illustrazione schematica delle condizioni di misurazione che testano le prestazioni dei dispositivi di raccolta. B) Caratteristiche della potenza di uscita misurata che mostrano una potenza massima di 2 nW. C) Potenza stimata ottenuta utilizzando materiali termoelettrici noti con figura termoelettrica zT maggiore di quella del Si. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aau5849.
Sono state inoltre caratterizzate le proiezioni di potenza dei dispositivi di raccolta per mostrare risultati coerenti in linea con le aspettative di progettazione. La tensione a circuito aperto del dispositivo non è diminuita nel tempo nelle misurazioni indicando che il profilo termico del dispositivo era in uno stato stazionario. Nello studio, gli autori hanno generato una road map per il potenziamento della potenza e uno schema di fabbricazione per progettare dispositivi per la raccolta di energia con materiali diversi dal silicio, comprese le varianti organiche.
Gli autori raccomandano ulteriori ricerche sui metodi di deposizione, doping e patterning per materiali organici e compositi. I materiali non devono soccombere alla resistenza elettrica durante la trasformazione meccanica da 2-D a 3-D. Con il silicio utilizzato nello studio, durante la trasformazione è stato osservato un aumento di tre volte della resistenza potenzialmente dovuto al contatto dell'elettrodo, degradazione del dispositivo o deformazione plastica in alcune parti del dispositivo. Lo studio rappresenta una strategia promettente per integrare materiali a film sottile nei raccoglitori con sistemi di materiali morbidi (compresa la pelle umana) per realizzare dispositivi elettronici indossabili ottimizzati dal punto di vista energetico in futuro.
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