Illustrazione di nanotubi di carbonio metallici allineati nel dispositivo termoelettrico del team. Un gradiente di temperatura fa fluire una corrente elettrica. Credito:Università metropolitana di Tokyo
Scienziati della Tokyo Metropolitan University hanno utilizzato nanotubi di carbonio "metallici" allineati per creare un dispositivo che converte il calore in energia elettrica (un termoelettrico dispositivo) con una potenza di uscita maggiore rispetto ai nanotubi di carbonio semiconduttori puri (CNT) in reti casuali. Il nuovo dispositivo aggira il fastidioso compromesso nei semiconduttori tra conduttività e tensione elettrica, nettamente superiore alla sua controparte. I dispositivi termoelettrici ad alta potenza possono aprire la strada a un uso più efficiente del calore di scarto, come l'elettronica indossabile.
I dispositivi termoelettrici possono convertire direttamente il calore in elettricità. Quando pensiamo alla quantità di calore sprecato nel nostro ambiente come negli scarichi dell'aria condizionata, motori dei veicoli o anche calore corporeo, sarebbe rivoluzionario se potessimo in qualche modo recuperare questa energia dall'ambiente circostante e farne buon uso. Questo va in qualche modo ad alimentare il pensiero dietro l'elettronica indossabile e la fotonica, dispositivi che possono essere indossati sulla pelle e alimentati dal calore corporeo. Sono già disponibili applicazioni limitate sotto forma di luci e smartwatch alimentati a calore corporeo.
La potenza estratta da un dispositivo termoelettrico quando si forma un gradiente di temperatura è influenzata dalla conduttività del dispositivo e dal coefficiente di Seebeck, un numero che indica quanta tensione elettrica viene generata con una certa differenza di temperatura. Il problema è che c'è un compromesso tra il coefficiente di Seebeck e la conduttività:il coefficiente di Seebeck scende quando il dispositivo è reso più conduttivo. Per generare più potenza, idealmente vogliamo migliorare entrambi .
Fattore di potenza vs. conduttività per film CNT puramente semiconduttori e metallici. La proporzione di CNT metallici aumenta da sinistra a destra. La trama completamente a destra corrisponde a film CNT metallici allineati. Esibiscono una potenza significativamente maggiore rispetto a tutti gli altri film. Credito:Università metropolitana di Tokyo
I materiali semiconduttori sono generalmente considerati candidati superiori per dispositivi termoelettrici ad alte prestazioni. Però, un team guidato dal Prof. Kazuhiro Yanagi della Tokyo Metropolitan University ha incontrato un improbabile eroe sotto forma di CNT "metallici". A differenza dei CNT puramente semiconduttori, hanno scoperto che potevano migliorare contemporaneamente sia la conduttività che il coefficiente di Seebeck dei CNT metallici, rompere il trade-off tra queste due grandezze chiave. Il team ha continuato a dimostrare che queste caratteristiche uniche derivano dalla struttura elettronica metallica unidimensionale del materiale. Per di più, sono stati in grado di allineare l'orientamento dei CNT metallici, ottenendo una produzione che era quasi cinque volte quella dei film di CNT semiconduttori puri orientati casualmente.
Non solo gli elementi termoelettrici ad alte prestazioni ci consentiranno di utilizzare il calore corporeo per alimentare i nostri smartphone, le potenziali applicazioni biomediche garantiranno che svolgano un ruolo importante nelle applicazioni quotidiane in futuro.
