22 اکتبر 2024 – توسط KAIST-نمودار شماتیک و تصویر واقعی نخ ترموالکتریک انعطاف پذیر تمام معدنی ساخته شده بدون افزودنی های پلیمری. اعتبار: KAIST
یک ماده ترموالکتریک که می تواند در دستگاه های پوشیدنی مانند لباس های هوشمند استفاده شود و عملکرد انرژی حرارتی را حتی در محیط های شدید حفظ کند، توسط تیمی از محققان کره ای ساخته شده است. این معضل ایجاد تعادل بین دستیابی به عملکرد خوب و انعطاف‌پذیری مکانیکی مواد ترموالکتریک را که یک چالش دیرینه در زمینه مواد ترموالکتریک بوده است، به‌طور چشمگیری حل کرده و امکان تجاری‌سازی را نیز به اثبات رسانده است.
تیم تحقیقاتی مشترک پروفسور یون سیک جونگ از گروه علوم و مهندسی مواد و پروفسور اینکیو پارک از گروه مهندسی مکانیک با همکاری تیم های تحقیقاتی پروفسور مین ووک اوه از دانشگاه ملی حنبات و دکتر جون هو جئونگ از موسسه ماشین‌آلات و مواد کره، الیاف ترموالکتریک بیسموت تلورید (Bi2Te3) را با موفقیت توسعه داده است، یک راه‌حل خلاقانه برای برداشت انرژی برای دستگاه‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر نسل بعدی.
این کار در مجله Advanced Materials منتشر شده است.
مواد ترموالکتریک موادی هستند که در صورت وجود اختلاف دما، ولتاژ تولید می کنند و انرژی حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. در حال حاضر، حدود 70 درصد از انرژی از دست رفته، گرمای هدر رفته است، بنابراین توجه به تحقیقات در مورد مواد انرژی پایدار است که می توانند انرژی را از این گرمای اتلاف بازیابی و برداشت کنند.
بیشتر منابع گرما در اطراف ما منحنی هستند، مانند بدن انسان، لوله های اگزوز وسایل نقلیه و باله های خنک کننده. مواد ترموالکتریک غیر آلی بر پایه مواد سرامیکی عملکرد ترموالکتریک بالایی دارند، اما شکننده هستند و تولید آنها در اشکال منحنی دشوار است. در همین حال، مواد ترموالکتریک انعطاف پذیر با استفاده از چسب های پلیمری موجود را می توان بر روی سطوح با اشکال مختلف اعمال کرد، اما عملکرد آنها به دلیل هدایت الکتریکی پایین و مقاومت حرارتی بالای پلیمر محدود شده است.
مواد ترموالکتریک قابل انعطاف موجود حاوی افزودنی‌های پلیمری هستند، اما مواد معدنی ترموالکتریک توسعه‌یافته توسط تیم تحقیقاتی انعطاف‌پذیر نیست، بنابراین آنها با پیچاندن نوارهای نانو به جای مواد افزودنی برای تولید یک ماده ترموالکتریک نخی، بر این محدودیت‌ها غلبه کردند.
با الهام از انعطاف‌پذیری نوارهای نانو معدنی، تیم تحقیقاتی از روش رسوب‌گذاری پرتو الکترونی مبتنی بر قالب نانو برای رسوب مداوم نوارهای نانو استفاده کرد و سپس آنها را به شکل نخی پیچاند تا الیاف ترموالکتریک معدنی بیسموت تلورید (Bi2Te3) ایجاد کند.
این الیاف ترموالکتریک معدنی استحکام خمشی بالاتری نسبت به مواد ترموالکتریک موجود دارند و تقریباً هیچ تغییری در خواص الکتریکی حتی پس از آزمایش‌های خمشی و کششی مکرر بیش از 1000 بار نشان ندادند. دستگاه ترموالکتریک ایجاد شده توسط تیم تحقیقاتی با استفاده از تفاوت دما برق تولید می کند و اگر لباس ها با دستگاه های ترموالکتریک از نوع فیبر ساخته شوند، می توان از دمای بدن برای کار با سایر دستگاه های الکترونیکی برق تولید کرد.
در واقع، امکان تجاری سازی از طریق نمایش جمع آوری انرژی با تعبیه الیاف ترموالکتریک در جلیقه های نجات یا لباس اثبات شد. علاوه بر این، امکان ساخت یک سیستم جمع‌آوری انرژی با راندمان بالا را فراهم کرد که با استفاده از اختلاف دمایی بین سیال داغ داخل لوله و هوای سرد بیرون در محیط‌های صنعتی، گرمای اتلاف را بازیافت می‌کند.
پروفسور یون سیک جونگ گفت: “مواد ترموالکتریک غیر آلی منعطف توسعه یافته در این مطالعه می تواند در دستگاه های پوشیدنی مانند لباس های هوشمند استفاده شود و می تواند عملکرد پایدار را حتی در محیط های شدید حفظ کند، بنابراین امکان تجاری سازی آن از طریق تحقیقات بیشتر وجود دارد.
پروفسور اینکیو پارک افزود: “این فناوری به هسته فناوری نسل بعدی برداشت انرژی تبدیل خواهد شد و انتظار می رود که نقش مهمی در زمینه های مختلف از استفاده از گرمای اتلاف در سایت های صنعتی تا دستگاه های تولید برق شخصی پوشیدنی ایفا کند.”
