Бытовая электроника, приборы и даже сами люди обычно выделяют достаточно тепла, чтобы рассеиваться в окружающей среде. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ), преобразующие разницу температур в электричество, известны уже давно, но теперь исследователям удалось разработать термоэлектрический генератор на основе полимера, который является мягким, гибким и полностью разлагается под воздействием окружающей среды.
В отличие от обычных термоэлектрических устройств, новый генератор может быть легко интегрирован в тканевые подкладки, что позволяет создавать датчики, которые можно носить на теле и вырабатывать электричество из тепла, или одноразовые маски для лица, которые могут измерять температуру.
Устройства термоэлектрического преобразования генерируют электрический ток, когда электрический заряд проходит между горячей и холодной частями устройства, создавая разность потенциалов. Такие генераторы изготавливаются различными способами из различных материалов. Обычно устройство с одной стороны остается холодным, а с другой стороны находится в контакте с источником тепла.
Поскольку ТЭГ являются полупроводниковыми устройствами без движущихся частей, они требуют минимального обслуживания и очень долговечны. До сих пор такие устройства изготавливались из относительно дорогих и иногда токсичных полупроводниковых материалов, таких как теллурид висмута и теллурид свинца, и использовались в основном в нишевых приложениях, таких как космические корабли и спутники. Например, недавно группа ученых разработала способ выработки электроэнергии в космосе путем размещения материала, излучающего тепло в космос, поверх материала, поглощающего тепло из воздуха внутри космического корабля.
Исследователи давно пытаются снизить стоимость и повысить эффективность ТЭГов, но материалы и конструкции, используемые в ТЭГах до сих пор, "могут привести к сложным и неэффективным ТЭГам, которые громоздко устанавливать вместе с другими компонентами", - говорит Янгмин Сонг, профессор электротехники и информатики в Корейском передовом институте науки и технологий.
Сонг и его коллеги решили отказаться от традиционного "двухстороннего" подхода. Вместо этого они использовали узор, вдохновленный полосками зебры, чтобы создать разницу температур между этими самыми полосками, достаточно большую для выработки электричества. Команда равномерно нанесла полосы черного полимера на белый лист из поликапролактона, гибкого, биоразлагаемого полимера, широко используемого в хирургических имплантатах и швах. Белый лист отражает солнечный свет и излучает тепло в инфракрасной области, а черный лист поглощает солнечный свет. Эти чередующиеся черные и белые полосы создают горячие и холодные области на эластичной полимерной основе.
Поверх этого полосатого листа находится так называемая "кремниевая наномембрана". Это массив гофрированных полупроводниковых нанопроводников, поэтому его можно растягивать, не разрывая.
При испытании на открытом воздухе в солнечный день белая полоса была на 8°C ниже температуры окружающей среды, а черная - на 14°C выше, создавая разницу температур до 22°C. Нанопровода преобразовывали эту разницу температур в электрическую энергию, вырабатывая до 6 микроватт на квадратный метр (мкВт/м²) мощности.
По словам Сонга, этого достаточно для датчика с низким энергопотреблением, но ниже идеала для коммерческого применения. Использование материалов с более высокой эффективностью термоэлектрического преобразования позволило бы увеличить выходную мощность, но при этом были бы потеряны основные преимущества устройства - его дешевизна, эластичность и биоразлагаемость.
Даже когда мы растянули образец примерно в 1,3 раза, - утверждает Сонг, - он сохранил способность вырабатывать электричество". В лаборатории, при помещении в солевой раствор, он полностью растворился в безвредном побочном продукте за 35 дней. По его словам, разложение в естественной среде заняло бы гораздо больше времени.