Дальнейшее вдохновение пришло из желания в конечном итоге изготовить устройства преобразования энергии из тех же материалов, что и сами активные устройства, чтобы они могли стать неотъемлемой частью общей системы. Сегодня источники питания многих биомедицинских наноустройств поступают от нескольких типов батарей, которые необходимо отделить от активной части системы, что не идеально.
В Applied Physics Letters от AIP Publishing исследователи сообщают о разработке и производстве термоэлектрических устройств с одностенными углеродными нанотрубками на гибких полиимидных подложках в качестве основы для носимых преобразователей энергии.
«Углеродные нанотрубки – это одномерные материалы, известные своими хорошими термоэлектрическими свойствами, что означает развитие на них напряжения в температурном градиенте», – сказал Эрик Поп, профессор электротехники и материаловедения. «Проблема заключается в том, что углеродные нанотрубки также обладают высокой теплопроводностью, а это означает, что на них трудно поддерживать температурный градиент, и их было трудно собрать в термоэлектрические генераторы по низкой цене."
Группа использует печатные сети из углеродных нанотрубок для решения обеих задач.
«Например, спагетти-сети из углеродных нанотрубок имеют гораздо более низкую теплопроводность, чем углеродные нанотрубки, взятые отдельно, из-за наличия в сетях соединений, которые блокируют тепловой поток», – сказал Поп. «Кроме того, прямая печать таких сетей из углеродных нанотрубок может значительно снизить их стоимость при увеличении масштаба."
Термоэлектрические устройства вырабатывают электроэнергию на месте, «повторно используя отработанное тепло от личных устройств, бытовых приборов, транспортных средств, коммерческих и промышленных процессов, компьютерных серверов, изменяющегося во времени солнечного освещения и даже человеческого тела», – сказала Хе Рён Ли, ведущий автор исследования. ученый.
«Чтобы устранить препятствия для крупномасштабного применения термоэлектрических материалов – токсичность, дефицит материалов, механическую хрупкость – углеродные нанотрубки предлагают отличную альтернативу другим широко используемым материалам», – сказал Ли.
Подход группы демонстрирует путь к использованию углеродных нанотрубок с печатными электродами на гибких полимерных подложках в процессе, который, как ожидается, будет экономичным для крупносерийного производства.
Кроме того, он «экологичнее», чем другие процессы, поскольку в качестве растворителя используется вода и исключаются дополнительные примеси.
Гибкие и пригодные для носки устройства сбора энергии можно встраивать в ткань или одежду или размещать на необычных формах и форм-факторах.
«Напротив, традиционные термоэлектрики, которые основаны на теллуриде висмута, являются хрупкими и жесткими и имеют ограниченное применение», – сказал Поп. «Термоэлектрики на основе углерода также более экологичны, чем термоэлектрики на основе редких или токсичных материалов, таких как висмут и теллур."
Самая важная концепция в работе группы состоит в том, чтобы «рециркулировать энергию в максимально возможной степени, преобразовывая неравномерное распределение тепла в электрическую энергию для использования в следующем цикле работы, что мы продемонстрировали с использованием нетоксичной термоэлектрической генерации на основе нанотрубок», – сказал Йошио. Ниши, профессор электротехники. "Эта концепция полностью соответствует мировой цели по сокращению общего потребления энергии."