I nanotubi di carbonio intrecciati in fibre filiformi e cuciti in tessuti diventano un generatore termoelettrico in grado di trasformare il calore del sole o di altre fonti in energia. Credito:Jeff Fitlow
Invisibilmente piccoli nanotubi di carbonio allineati come fibre e cuciti nei tessuti diventano un generatore termoelettrico che può trasformare il calore del sole o di altre fonti in energia.
Il laboratorio del fisico Junichiro Kono della Rice University ha condotto uno sforzo con gli scienziati della Tokyo Metropolitan University e del Carbon Hub a base di riso per realizzare fibre di nanotubi personalizzate e testare il loro potenziale per applicazioni su larga scala.
I loro esperimenti su piccola scala hanno portato a un potenziamento delle fibre, tessuto di cotone flessibile che trasforma il calore in energia sufficiente per alimentare un LED. Con ulteriore sviluppo, dicono che tali materiali potrebbero diventare elementi costitutivi per l'elettronica in fibra e tessile e la raccolta di energia.
Le stesse fibre di nanotubi potrebbero essere utilizzate anche come dissipatori di calore per raffreddare attivamente l'elettronica sensibile con un'elevata efficienza.
Un articolo sul progetto appare in Comunicazioni sulla natura .
L'effetto sembra semplice:se un lato di un materiale termoelettrico è più caldo dell'altro, produce energia. Il calore può provenire dal sole o da altri dispositivi come le piastre elettriche utilizzate nell'esperimento del tessuto. Al contrario, l'aggiunta di energia può indurre il materiale a raffreddare il lato più caldo.
Fino ad ora, nessun assemblaggio macroscopico di nanomateriali ha mostrato il necessario "fattore di potenza gigante, " circa 14 milliwatt per metro kelvin quadrato, che i ricercatori della Rice hanno misurato nelle fibre di nanotubi di carbonio.
"Il fattore di potenza ti dice quanta densità di potenza puoi ottenere da un materiale su una certa differenza di temperatura e gradiente di temperatura, ", ha detto lo studente laureato della Rice Natsumi Komatsu, autore principale del paper. Ha notato che il fattore di potenza di un materiale è un effetto combinato della sua conduttività elettrica e del cosiddetto coefficiente Seebeck, una misura della sua capacità di tradurre le differenze termiche in elettricità.
"L'altissima conduttività elettrica di questa fibra era uno degli attributi chiave, " disse Komatsu.
La fonte di questo superpotere riguarda anche la messa a punto dell'energia di Fermi intrinseca dei nanotubi, una proprietà che determina il potenziale elettrochimico. I ricercatori sono stati in grado di controllare l'energia di Fermi drogando chimicamente i nanotubi trasformati in fibre dal laboratorio Rice del coautore e ingegnere chimico e biomolecolare Matteo Pasquali, permettendo loro di sintonizzare le proprietà elettroniche delle fibre.
Mentre le fibre che hanno testato sono state tagliate in lunghezze di centimetri, Komatsu ha affermato che non c'è motivo per cui i dispositivi non possano utilizzare le eccellenti fibre di nanotubi del laboratorio Pasquali che vengono avvolte in lunghezze continue. "Non importa dove li misuri, hanno la stessa conduttività elettrica molto elevata, " ha detto. "Il pezzo che ho misurato era piccolo solo perché la mia configurazione non è in grado di misurare 50 metri di fibra".
Pasquali è direttore del Carbon Hub, che promuove l'espansione dello sviluppo di materiali in carbonio e idrogeno in un modo che cambia radicalmente anche il modo in cui il mondo utilizza gli idrocarburi fossili.
Lo studente laureato di Rice Natsumi Komatsu mostra un nanotubo di carbonio rinforzato con fibra, tessuto di cotone flessibile che trasforma il calore in energia sufficiente per alimentare un LED. Tali generatori termoelettrici possono trasformare il calore del sole o di altre fonti in energia. Credito:Jeff Fitlow
"Le fibre di nanotubi di carbonio hanno avuto un percorso di crescita costante e si stanno dimostrando vantaggiose in un numero sempre maggiore di applicazioni, " ha detto. "Piuttosto che sprecare carbonio bruciandolo in anidride carbonica, possiamo fissarlo come materiale utile che ha ulteriori benefici ambientali nella generazione e nel trasporto di elettricità".
Resta da vedere se la nuova ricerca porti a un pannello solare da buttare in lavatrice, ma Kono ha convenuto che la tecnologia ha un potenziale grande e vario.
Natsumi Komatsu, studente laureato alla Rice University, tiene in mano una bobina di fibra di nanotubi di carbonio filiforme, la base di un progetto che utilizza i nanomateriali per realizzare generatori termoelettrici flessibili. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"I nanotubi esistono da 30 anni, e scientificamente, si sa molto, " ha detto. "Ma per creare dispositivi del mondo reale, abbiamo bisogno di assemblaggi macroscopicamente ordinati o cristallini. Questi sono i tipi di campioni di nanotubi che il gruppo di Matteo e il mio gruppo possono fare, e ce ne sono tanti, molte possibilità di applicazione."
I coautori del documento sono gli studenti laureati della Rice Oliver Dewey, Lauren Taylor e Mitchell Trafford e Geoff Wehmeyer, un assistente professore di ingegneria meccanica; e Yota Ichinose, Professor Yohei Yomogida, e il professor Kazuhiro Yanagi della Tokyo Metropolitan University.
