Con la crescita dell’Internet delle cose, le soluzioni sostenibili per alimentare sensori e dispositivi wireless sono considerate importanti. I generatori termoelettrici, ad esempio, che hanno la capacità di convertire il calore di scarto in elettricità, possono offrire una soluzione sostenibile. Ricercatori di tutto il mondo hanno lavorato a tali soluzioni.
Un gruppo di ricerca, guidato da Masakazu Nakamura del Nara Institute of Science and Technology (NAIST), in Giappone, ha anche lavorato su generatori termoelettrici indossabili flessibili che producono elettricità dal calore corporeo cucendo nanomateriali chiamati nanotubi di carbonio (CNT) nel tessuto.
I materiali termoelettrici (TE) efficaci sono caratterizzati da un'elevata conduttività elettrica che consente un'elevata corrente elettrica e un ampio coefficiente di Seebeck che genera tensione in base alla differenza di temperatura. I CNT soddisfano la maggior parte di questi requisiti. La loro flessibilità e l'elevata resistenza meccanica li rendono inoltre promettenti per varie applicazioni TE. Tuttavia, l'elevata conduttività termica dei CNT limita le loro prestazioni TE.
Per abbassare la loro conduttività termica, i CNT vengono dispersi in una soluzione dove possono essere combinati con altri materiali. Questa dispersione viene quindi filata in filati CNT utilizzando un processo di filatura a umido. Tuttavia, i metodi di dispersione convenzionali spesso impigliano filamenti CNT spessi nanometri, il che ne riduce la conduttività elettrica e le prestazioni termoelettriche.
Ora, però, in uno studio pubblicato su ACS Applied Nano Materials , Nakamura, insieme a un dottorato di ricerca. la studentessa Anh N. Nguyen e altri membri anch'essi della NAIST, introducono un nuovo metodo per disperdere i CNT. Utilizzando il glicerolo come disperdente e il poliossietilene (50) stearil etere come tensioattivo (una sostanza utilizzata per migliorare le proprietà di diffusione e bagnatura di un liquido), i ricercatori hanno ottenuto un filato CNT con fasci di CNT allineati.
"Introduciamo un metodo economico, rapido ed ecologico per lo sviluppo di dispositivi termoelettrici indossabili flessibili e di tipo tessile", afferma Nakamura.
Il glicerolo è altamente viscoso, il che lo rende un mezzo eccellente per disperdere uniformemente i CNT, mentre il tensioattivo impedisce ai CNT di agglomerarsi nella dispersione. I tensioattivi con gruppi ossietilenici impediscono inoltre il trasferimento di calore penetrando tra i fasci di CNT.
La concentrazione del tensioattivo è fondamentale, poiché influenza sia la conduttività termica che quella elettrica della dispersione dei CNT. Dopo aver testato le proprietà dei CNT a varie concentrazioni di tensioattivo (3%, 4% e 5%), i ricercatori hanno scoperto che una concentrazione di tensioattivo del 3%, se combinata con una soluzione contenente glicerolo e CNT, dava i risultati migliori. Il processo, che ha richiesto solo tre ore per essere completato e ha utilizzato sostanze chimiche ecocompatibili, ha prodotto filato CNT con fasci di CNT del diametro di otto nm altamente allineati con tensioattivo tra di loro.
L'allineamento dei CNT in genere aumenta sia la conduttività elettrica che quella termica. Tuttavia, inserendo le molecole di tensioattivo tra i fasci di CNT, i ricercatori sono riusciti a sopprimere il trasporto di calore. I filati CNT avevano un fattore di potenza di 242 μW m −1 K −2 (prestazioni riflettenti) tre volte superiore a quella dei filati CNT precedentemente ottenuti da metodi che utilizzano liquidi ionici come disperdenti.
"La chiave per ottenere prestazioni elevate è svelare l'intreccio del materiale CNT grezzo e aumentare il grado di orientamento del CNT quando filato dalla dispersione", spiega Nakamura.
Pertanto, il nuovo approccio proposto è promettente per migliorare le prestazioni termoelettriche dei materiali CNT, dai filati alle pellicole e alle strutture sfuse.
Ulteriori informazioni: Anh N. Nguyen et al, Filati di nanotubi di carbonio personalizzati utilizzando disperdenti e tensioattivi per generatori termoelettrici flessibili e indossabili, Nanomateriali applicati ACS (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c00497
Fornito da Nara Institute of Science and Technology
