5 Minutės
Pekino universiteto vadovaujama mokslininkų grupė pranešė apie tempimui atsparią, gumos pavidalo termoelektrinę medžiagą, kuri paverčia odos ir aplinkos oro temperatūrų skirtumą elektrine energija. Darbas publikuotas žurnale Nature ir demonstruoja n tipo termoelektrinį elastomerą, kuris derina didelį elastingumą su pagerintomis elektros savybėmis, atverdamas kelią savigeneruojamiems nešiojamiems jutikliams, sveikatos stebėjimo pleistrams ir galimai implantuojamiems įrenginiams, kurie išnaudoja kūno šilumą.
Kaip medžiaga generuoja elektros energiją
Įrenginys veikia pagal termoelektriškumo principą: temperatūros gradientas sukelia krūvinių nešiotojų tėkmę, kuri generuoja elektros srovę. Praktikoje žmogaus kūnas esant maždaug 37 °C sudaro šiltą paviršių, palyginti su aplinkos oru (dažnai 20–30 °C). Kai elastomeras priglunda prie odos, pastovus odos ir oro temperatūrų skirtumas leidžia nuolat generuoti elektros energiją be judančių dalių.
Termoelektrinis konvertavimas priklauso nuo trijų medžiagų savybių: Seebeck koeficiento (įtampa vienam temperatūros skirtumo vienetui), elektrinio laidumo ir šilumos laidumo. Pekino universiteto komanda sukūrė elastingą polimerinį kompozitą, kuris išlaiko palankų elektroninį transportą kartu su mažu šilumos laidumu ir puikia mechanine prisitaikomybe — reta savybių kombinacija, leidžianti gauti naudingą galią iš nedidelių temperatūros skirtumų, būdingų žmogaus kūnui.
Medžiagų inžinerija ir pagrindiniai naujovių elementai
Viena iš esminių pažangų šiame darbe yra n tipo termoelektrinio elastomero sukūrimas, kuris išlieka laidus esant mechaniniam deformavimui. Istoriškai medžiagų padarymas tuo pačiu metu labai tempiamomis ir elektriškai laidžiomis buvo didelis iššūkis: laidūs užpildai ar rigidinės fazės dažnai mažina elastingą atkūrimą, o minkšti polimerai paprastai neturi gerų elektroninių savybių.
Tyrėjai tai sprendė naudodami polimerinį kompozito architektūrą ir tikslinį molekulinį dopingo metodą. Jie pridėjo nedidelį kiekį dopanto N-DMBI (N,N'-dimetilbenzimidazolino), kad padidintų nešėjų tankį ir elektrinį laidumą nepažeidžiant matricos trapumo. Dopintas elastomeras parodė žymiai geresnį galios generavimo našumą, palyginti su nedopintais analogais, išlaikydamas gumos pavidalo elgseną.
Mechaninis našumas
Mechaniniu požiūriu kompozitas atgauna pradinę formą po to, kai yra ištempiamas iki maždaug 150 % savo ramybės ilgio, o laboratorinių bandymų metu jis ištvėrė ekstremalius tempimus, praneštus virš 850 %. Toks atsparumas reiškia, kad iš šios medžiagos pagaminti įrenginiai gali glaudžiai prisitaikyti prie išlenktų ar judančių kūno paviršių — riešų, krūtų ar drabužių — išlaikydami gerą terminį kontaktą ir patikimą energijos išgavimą judant dėvėtojui.
Galimos taikymo sritys ir pasekmės
Leisdami nuolat išgauti energiją iš odos, šie termoelektriniai elastomerai galėtų sumažinti arba visiškai pašalinti poreikį didelėms baterijoms daugelyje mažos galios įrenginių. Tiesioginės taikymo sritys apima nešiojamuosius sveikatos monitorius, sporto sekimo įrenginius ir aplinkos jutiklius, veikiančius kaip pleistrai ar integruoti į drabužius moduliai. Medicinos srityje savigeneruojantys širdies ar metabolizmo stebėjimo pleistrai galėtų veikti ilgą laiką be įkrovimo.
Ilgesnės trukmės perspektyvos apima implantuojamą elektroniką, kuri panaudoja medžiagų apykaitos šilumą maitinant mažos galios įrenginius, bei išsibarstytus daiktų interneto (IoT) jutiklius, kurie drabužiuose ar ant odos galėtų veikti be priežiūros. Vis dėlto komercializavimui reikės papildomų tyrimų stabilumo, biokompatibilumo, pastovaus galios išėjimo realiomis sąlygomis ir mastelio gamybos srityse.
Eksperimento detalės ir našumo rodikliai
Nature straipsnyje aprašomi gamybos etapai, elektrinė ir mechaninė charakterizacija bei prototipų demonstracijos. Svarbūs pateikti našumo rodikliai apima medžiagos Seebeck atsaką, elektrinį laidumą po N-DMBI dopingo ir galios išėjimą esant reprezentatyviems odos‑oro temperatūrų gradientams. Tyrime taip pat dokumentuojami pakartotiniai tempimo ir atkūrimo ciklai, siekiant įvertinti patvarumą sąlygomis, svarbiomis nešiojamiems įrenginiams.
Eksperto įžvalga
Dr. Maya Singh, medžiagų inžinerė, tyrinėjanti lanksčias energijos sistemas, komentavo: "Šis tyrimas sprendžia nuolatinį kompromisą minkštoje elektronikoje: sujungti aukštą elektros našumą su ekstremaliu elastingumu. Tikslinis molekulinių dopantų, tokių kaip N-DMBI, naudojimas kartu su prisitaikančia polimerine tinklu yra prasmingas kelias link realaus pasaulio nešiojamų termoelektrinių sprendimų. Tolimesni etapai bus ilgalaikis stabilumas, apsauga nuo prakaito ir judesio bei integracija su mažos galios jutikliais ir galios valdymo grandinėmis."
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Termoelektriniai elastomerai papildo kitas energijos surinkimo strategijas nešiojamiems įrenginiams, tokias kaip piezoelektriniai generatoriai (naudojantys judesį), fotovoltinės audinio technologijos (naudojančios šviesą) ir biocheminės kuro elementai (naudojantys prakaito metabolitus). Hibridinės sistemos, jungiančios kelis energijos šaltinius, gali padidinti patikimumą ir energijos biudžetą. Siekiant komercinio pritaikymo, inžinieriai taip pat turi optimizuoti įrenginių formatus, suderinti varžą ir energijos kaupimo sprendimus (maži kondensatoriai arba plonų sluoksnių baterijos), kad būtų galima sušvelninti kintantį galios išėjimą.
Išvados
Pekino universiteto vadovaujamas tyrimas žymi svarbų medžiagų pažangą link savigeneruojamos nešiojamosios elektronikos. Demonstruodamas n tipo termoelektrinį elastomerą, kuris išlaiko laidumą esant dideliems tempimams ir naudoja molekulinį dopingą, darbas parodo, kaip kūno šiluma gali būti nuolat renkami lanksčioje, odai priglundančioje konstrukcijoje. Tolimesnis progresas stabilumo, integracijos ir gamybos srityse lems, kaip greitai ši technologija pereis iš laboratorinių prototipų į kasdienius sveikatos monitorius, drabužius ir implantuojamas sistemas, kurios nebebus priklausomos nuo dažno įkrovimo.
Šaltinis: techxplore
Komentarai