(PhysOrg.com) -- Tra le molte applicazioni dei materiali termoelettrici flessibili c'è un orologio da polso alimentato dalla differenza di temperatura tra il corpo umano e l'ambiente circostante. Ma se volevi questo orologio realizzato con nanotubi di carbonio (CNT)/materiali polimerici a basso costo, attualmente avresti bisogno di un pezzo di tessuto con un'area di circa 500 cm ² , che è circa 50 volte più grande dell'area di un tipico orologio da polso.

Per rendere più pratiche tali applicazioni, un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo design CNT/polimero multistrato e ha dimostrato che ha una potenza di uscita notevolmente maggiore rispetto ai progetti precedenti. Il nuovo CNT/polimero, che i ricercatori chiamano “Power Felt, ” ha anche il potenziale per essere molto meno costoso di altri materiali termoelettrici.

Il gruppo di ricerca, che include il dottorato di ricerca lo studente Corey Hewitt e il professor David Carroll della Wake Forest University, insieme a collaboratori di altre istituzioni, ha pubblicato un articolo sul nuovo design del tessuto termoelettrico in un recente numero di Nano lettere .

Sebbene i termoelettrici siano stati studiati e utilizzati commercialmente per diversi decenni, sono tradizionalmente realizzati con materiali inorganici, come il tellururo di bismuto (Bi ₂ Te ₃ ). Ma recenti ricerche hanno dimostrato che i materiali organici potrebbero fornire un'alternativa promettente, con vantaggi quali basso costo, facilità di produzione, e flessibilità. Eppure per ora, i materiali organici sono ancora indietro rispetto a quelli inorganici in termini di prestazioni.

Una delle chiavi per progettare un tessuto termoelettrico ad alte prestazioni è creare una grande differenza di temperatura sui lati opposti del materiale. Poiché i materiali termoelettrici CNT/polimero sono molto sottili, la differenza di temperatura perpendicolare alla superficie del film è limitata.

Per affrontare questo problema, i ricercatori qui hanno progettato un film CNT/polimero multistrato che consente la disposizione del gradiente di temperatura parallelo alla superficie del film. Il film è costituito da centinaia di strati alternati di materiale conduttore (un polimero contenente CNT) e materiale isolante (polimero puro) legati insieme. Ogni strato ha uno spessore di soli 25-40 µm. Quando il tessuto è soggetto ad una differenza di temperatura parallela alla superficie, elettroni o lacune viaggiano dal lato caldo al lato freddo a causa dell'effetto Seebeck, che converte la differenza di temperatura in tensione.

Come spiegano i ricercatori, la quantità di tensione generata (e potenza totale) è uguale alla somma dei contributi di ogni strato. Quindi aggiungere strati al tessuto equivale ad aggiungere sorgenti di tensione in serie, e il numero di strati è limitato solo dalla capacità della fonte di calore di produrre un cambiamento di temperatura sufficiente in tutti gli strati. Qui, la temperatura della fonte di calore è limitata a 390 K (117 °C, 242 °F), il punto in cui il polimero inizia a deformarsi.

Gli esperimenti su un tessuto a 72 strati hanno dimostrato una generazione di potenza massima di 137 nW a una differenza di temperatura di 50 K. Ma i ricercatori prevedono che la potenza può essere aumentata; Per esempio, calcolano che un tessuto a 300 strati esposto a una differenza di temperatura di 100 K ha una potenza teorica fino a 5 µW.

Da un'altra prospettiva, l'orologio da polso di cui sopra richiederebbe molto meno tessuto dell'attuale fabbisogno di 500 cm ² .

“Come presentato, il requisito di area del nostro tessuto è dell'ordine di circa 10 cm ² , ” Carroll ha detto PhysOrg.com . "Però, il punto della carta è mostrare che gli strati del tessuto si aggiungono in qualche modo linearmente. Ciò significa che, poiché più strati sono intrecciati nel tessuto (e questi possono essere strati straordinariamente sottili), più potenza può essere racchiusa in un'area più piccola. Quindi il tessuto che mostriamo dimostra semplicemente questo fatto ma non lo ottimizza. Così, potrebbero volerci 10 cm ² del tessuto che mostriamo, ma abbiamo realizzato anche tessuti per i quali solo pochi cm ² potrebbe alimentare l'orologio. E potremmo andare oltre».

In termini di costo, se i termoelettrici CNT/polimero sono prodotti su larga scala, l'elettricità che generano potrebbe costare fino a $ 1 per watt a causa del basso costo del materiale e della facilità di produzione. In contrasto, Bi ₂ Te ₃ i termoelettrici attualmente generano elettricità ad un costo di circa $ 7 per watt. Come ha spiegato Carroll, il vero test dei materiali sarà il costo.

“Ciò che è diverso in ciò che abbiamo fatto è produrre qualcosa in un fattore di forma che consenta l'applicazione di ampie aree dei materiali, " Egli ha detto. "Così, grandi quantità di energia possono essere generate e, finché il costo è basso, allora il $/W è competitivo con altre forme di cattura dell'energia. Naturalmente questo non sarebbe possibile senza due importanti innovazioni nel documento. Il primo, come ho già sottolineato, è la piegatura simile a un origami del tessuto che consente agli intercalari di aggiungere il loro potere insieme. Il secondo riguarda quella cosa del "costo". Si noti che non utilizziamo tappetini in nanotubi di carbonio puro. Piuttosto, i nostri tappetini sono principalmente polimeri di base con l'aggiunta di nanotubi. In questo modo il costo dell'elemento costoso è ridotto al minimo senza sacrificare le prestazioni complessive".

I ricercatori prevedono che i tessuti termoelettrici organici a basso costo potrebbero avere una moltitudine di applicazioni. Oltre all'orologio da polso, another wearable application could be winter jackets with thermoelectric inside liners that use the temperature difference between body heat and the outdoor temperature to power electronic devices, such as an iPod.

Other potential applications include recapturing a car’s wasted heat energy in order to improve fuel mileage, and lining a vehicle’s seats with the fabric to provide electricity for the vehicle’s battery. If installed under roof shingles, the fabric could generate electricity on hot days to help lower a building’s electricity bills. And in emergencies, the fabric could potentially be used to power a cell phone or flashlight.

“There are a very wide variety of applications for which these materials will now be perfectly adequate [with their current power output], ” Carroll said. "Per di più, if more power is required, there is the option of simply making larger sheets of fabric. Because of the cost advantages, this is still cheaper than going to more expensive Bi ₂ Te ₃ . Imagine, ad esempio, putting this material throughout the bodies of automobiles, supplying both sound dampening (which they must already do) and adding the functionality of power scavenging for only a nominal cost above the materials used currently. As with all organic electronics, the real transformative power of this innovation lies in its economic vs. technical advantages.”

Nel futuro, the researchers plan to further improve the power output of each film, using methods such as chemical treatment of the CNTs and increasing the electrical conductivity of the polymers.

“Will we improve the performance? SÌ!" Carroll said. “We have already begun making significant advances in improving the overall power output and there is much more ground to cover. For you physics readers out there, the basic principle of suppressed phonon modes through scattering processes, coupled with fractal networks made of sections of phase coherent transport, is still young and we are confident we have not yet tapped into the real potential yet.”

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