5 Minuten
Pekino universiteto tyrėjų vadovaujama grupė pranešė apie elastingą, gumos primenančią termoelektrinę medžiagą, kuri temperatūros skirtumą tarp žmogaus odos ir aplinkos oro paverčia elektros energija. Paskelbta žurnale Nature, ši studija demonstruoja n tipo termoelektrinį elastomerą, derinantį didelį elastingumą su pagerinta elektrine charakteristika, atverdama kelią savarankiškai maitinamiems nešiojamiems jutikliams, sveikatos stebėjimo pleistrams ir galbūt implantuojamiems įrenginiams, kurie išgauna kūno šilumą.
Kaip medžiaga generuoja elektrą
Įrenginys veikia termoelektriškumo principu: temperatūros gradientas sukuria nešėjų srautą, kuris generuoja elektros srovę. Praktikoje žmogaus kūnas, maždaug 37 °C, yra šiltesnis už aplinkos orą (dažnai 20–30 °C). Kai elastomeras liečiasi su oda, nuolatinis odos ir oro temperatūrų skirtumas skatina tęstinę elektros gamybą be judančių dalių.
Termoelektrinė konversija priklauso nuo trijų medžiagos savybių: Seebecko koeficiento (įtampa vienam temperatūros skirtumui), elektrinio laidumo ir šiluminio laidumo. Pekino universiteto komanda sukūrė elastingą polimerinį kompozitą, kuris išlaiko palankų elektroninį transportą, tuo pačiu metu turėdamas žemą šiluminį laidumą ir puikų mechaninį prisitaikomumą — retą derinį, leidžiantį gauti naudingą galią iš nedidelių, žmogui būdingų temperatūros skirtumų.
Medžiagų inžinerija ir pagrindinės naujovės
Pagrindinis pažangumas šiame darbe yra n tipo termoelektrinio elastomero sukūrimas, kuris išlieka laidus mechaninio deformavimo metu. Istoriškai medžiagų sukūrimas, kurios būtų tiek labai ištempiamos, tiek elektriškai laidžios, yra didelis iššūkis: laidūs pripildai arba kietos fazės dažnai blogina elastingumą, o minkšti polimerai dažniausiai trūksta elektroninio veikimo.
Tyrimų komanda sprendė šią problemą per polimero kompozito architektūrą ir tikslingą molekulinį dopavimą. Jie įterpė dopantą, N-DMBI (N,N'-dimetilbenzimidazoliną), pėdsakų kiekiais, kad padidintų nešėjų tankį ir elektrinį laidumą nesusilpninant matricos. Dopintas elastomeras rodo reikšmingą galios generavimo našumo pagerėjimą, palyginti su nedopintomis versijomis, išsaugodamas gumos panašias savybes.
Mechaninis veikimas
Mechaniniu požiūriu kompozitas atgauna pirminę formą po to, kai yra ištemptas iki maždaug 150 % pradinio ilgio ir laboratoriniuose bandymuose gali ištverti ekstremalius deformacijos rodiklius, viršijančius 850 %. Toks atsparumas reiškia, kad iš medžiagos pagaminti įrenginiai gali glaudžiai prisitaikyti prie išlinkusių ar judančių kūno paviršių — riešų, krūtinės ar drabužių — palaikydami šiluminį kontaktą ir patikimą energijos surinkimą judant.
Galimos taikymo sritys ir pasekmės
Leisdami nuolat surinkti energiją iš odos, šie termoelektriniai elastomerai galėtų sumažinti arba panaikinti poreikį didelėms baterijoms daugelyje mažos galios įrenginių. Tiesioginės taikymo sritys apima nešiojamus sveikatos monitorius, fitneso sekiklius ir aplinkos jutiklius, veikiančius kaip pleistrai arba drabužių integruoti moduliai. Medicinos srityje savarankiškai maitinami širdies ar medžiagų apykaitos stebėjimo pleistrai galėtų veikti ilgą laiką be įkrovimo.
Ilgesnio laikotarpio perspektyvos apima implantuojamą elektroniką, kuri surenka medžiagų apykaitos šilumą palaikyti mažos galios įrenginius, ir paskirstytus daiktų interneto (IoT) jutiklius, veikiančius be priežiūros drabužiuose ar ant odos. Tačiau komercializavimui reikės papildomų tyrimų stabilumo, biokompatibilumo, nuolatinio galios išėjimo realiomis sąlygomis ir mastelio didinimo srityse.
Eksperimento detalės ir našumo rodikliai
Nature straipsnyje aprašomi gamybos etapai, elektrinė ir mechaninė charakterizacija bei prototipų demonstracijos. Pagrindiniai pranešti našumo rodikliai apima medžiagos Seebecko atsaką, elektrinį laidumą po N-DMBI dopavimo ir galios išėjimą esant reprezentatyviems odos–oro temperatūrų gradientams. Tyrimas taip pat dokumentuoja pakartotinius tempimo ir atsigavimo ciklus, siekiant įvertinti patvarumą sąlygomis, svarbiomis nešiojamiems įrenginiams.
Eksperto įžvalga
Dr. Maya Singh, medžiagų inžinerė, tyrinėjanti lanksčias energetikos sistemas, komentavo: "Šis tyrimas sprendžia nuolatinį kompromisą minkštojoje elektronikoje: derinti aukštą elektrinį našumą su dideliu elastingumu. Tikslingas molekulinių dopantų, tokių kaip N-DMBI, naudojimas kartu su prisitaikančia polimerine tinkleliu yra pragmatiškas kelias link realių nešiojamų termoelektrinių įrenginių. Kiti svarbūs žingsniai bus ilgalaikis stabilumas, apsauga nuo prakaito ir judesių bei integracija su mažos galios jutikliais ir galios valdymo grandinėmis."
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Termoelektriniai elastomerai papildo kitas energijos surinkimo priemones nešiojamiems įrenginiams, tokias kaip piezoelektriniai generatoriai (naudojantys judesį), fotovoltinės audinio sprendimai (naudojantys šviesą) ir biocheminiai kuro elementai (naudojantys prakaito metabolitus). Hibridinės sistemos, jungiančios kelis surinkimo būdus, gali padidinti patikimumą ir galios biudžetą. Siekiant komercinio pritaikymo, inžinieriai taip pat turi optimizuoti įrenginių formą, impedansų suderinimą ir energijos kaupimo strategijas (maži kondensatoriai arba plėveliniai akumuliatoriai), kad išlygintų kintamą galios išėjimą.
Išvada
Pekino universiteto vadovaujamas tyrimas žymi svarbų medžiagų pažangą link savarankiškai maitinamos nešiojamosios elektronikos. Parodydamas n tipo termoelektrinį elastomerą, kuris išlaiko laidumą esant didelėms deformacijoms ir gauna naudą iš molekulinio dopavimo, darbas rodo, kaip kūno šiluma gali būti nuolat surenkama lanksčioje, odai priglundančioje formoje. Tolimesnė pažanga stabilumo, integracijos ir gamybos srityse nulems, kaip greitai ši technologija pereis nuo laboratorinių prototipų prie kasdienių sveikatos monitorių, drabužių ir implantuojamų sistemų, kuriems nebereikės dažnai įkrauti baterijų.
Quelle: techxplore
Kommentare