Человеческое тепло в электроэнергию: новые материалы смогут питать гаджеты вечно

Исследователи НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Технологического университета Лулело (Швеция) и Йенского университета имени Фридриха Шиллера (Германия) разработали первый в мире термоэлектрический материал с упорядоченно расположенными нанотрубками.

Благодаря полимерной природе, он гибок, а добавка из нанотрубок в несколько раз повышает его электропроводность. В перспективе такой материал можно будет применять для зарядки мобильных устройств без дополнительного источника питания: один такой браслет или чехол позволил бы заряжать часы или телефон прямо от тепла человеческого тела. Статья о разработке опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Термоэлектрические материалы – химические соединения или сплавы металлов, которые способны конвертировать тепло в электроэнергию из-за разницы температуры в местах присоединения к пластине проводников. Этот эффект был открыт еще в 1821 году немецким физиком Томасом Зеебеком.

Долгое время в качестве материалов для термогенераторов использовались различные сплавы. Однако они дают не очень большой КПД – порядка 10%. К тому же, для максимальной эффективности нагрев пластины должен быть порядка нескольких сотен градусов.

В последние годы ученые начали искать альтернативу термоэлектрикам на основе сплавов – и нашли ее в полимерных материалах. Такие материалы работают даже при комнатной температуре, нетоксичны, обладают низкой теплопроводностью (минимизируют рассеивание полученного тепла вовне). К тому же, полимеры, в отличие от сплавов металлов, очень гибкие – такому термогенератору можно придать практически любую требуемую форму.

Коллектив ученых кафедры Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Технологического университета Лулело (Швеция) и Йенского университета имени Фридриха Шиллера (Германия) создали первую в мире модифицированную версию полимера с вытянутыми и упорядоченно расположенными нанотрубками.

Ученые использовали один из наиболее перспективных полимеров – полиэтилендиокситиофен (ПЭДОТ). Он обладает высокой электропроводностью, которую при этом можно дополнительно усиливать за счет химических включений в полимерную матрицу.

Сначала был выращен вертикально ориентированный «лес» углеродных нанотрубок на полупроводниковой подложке, затем они были вытянуты по горизонтальной плоскости. Сверху нанотрубки «залили» полимером. Поскольку в процессе выращивания нанотрубки зачастую образуют скопления в одной точки (агломерации), для нейтрализации таких скоплений материал подвергали пост-обработке диметилсульфоксидом и этиленгликолем. После полного цикла обработки фактор мощности материала возрос более чем в четыре раза, до ~92 µВт·mK^-2.

По словам участника научной группы со стороны НИТУ «МИСиС», кандидата физико-математических наук, Хабиба Юсупова, при таких характеристиках материала изделия из него будут способны преобразовывать даже тепло человеческого тела (на контрасте с комнатной температурой) в полезную электроэнергию. Например, сделав браслет для часов или чехол для мобильного телефона из такого полимера, можно будет питать устройства на постоянной основе, без дополнительного источника электроэнергии.

НИТУ МИСИС

57 статей

Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.

Показать больше