В Корее разрабатывают растяжимый прозрачный нагреватель, способный достичь 80 и 40℃ при напряжениях 200 и 100 В соответственно

Корреспондент Гу Бон Хёк

- Разработан диэлектрический нагреватель на основе ионогелевых электродов
- Обеспечивает растяжимость, прозрачность и экологическую стабильность

Задняя обложка международного научного журнала «Small», посвященного данному исследованию [Предоставлено Корейским университетом технологии и образования]

Национальный исследовательский фонд Кореи сообщил, что исследовательская группа под руководством профессора Бэ Чжин У из Корейского университета технологии и образования разработала «растяжимый прозрачный нагреватель с низким рабочим напряжением и экстремальной стабильностью в окружающей среде», используя высокопрозрачные, высокорастяжимые, нелетучие ионогелевые электроды и диэлектрические слои.

В связи с недавним ростом спроса на интеллектуальные и носимые электронные устройства значительно возросла технологическая важность нагревателей, обладающих как растяжимостью, так и прозрачностью.

Однако существующие диэлектрические нагреватели с гидрогелевыми электродами на водной основе, хотя и обладают прозрачностью и растяжимостью, страдают от резкого снижения производительности из-за испарения и поглощения воды в условиях высокой температуры/высокой влажности и низкой температуры/низкой влажности, что создает значительные проблемы для практического применения.

Для решения этих проблем исследовательская группа разработала ионогелевый электрод, содержащий нелетучую ионную жидкость и диэлектрический слой с высокой диэлектрической проницаемостью. Путем ковалентного соединения этих компонентов им удалось одновременно добиться растяжимости, прозрачности и стабильности в окружающей среде.

Новоразработанный нагреватель достигает 80 °C при 200 В, что позволяет снизить напряжение на 80 % по сравнению с существующими нагревателями на основе гидрогелевых электродов. Он также достигает 40 °C при низком напряжении 100 В, что позволяет проводить термотерапию, подтверждая возможность реализации носимого нагревателя для термотерапии с низким напряжением.

Наиболее значительным достижением стало поддержание стабильной производительности в широком диапазоне суровых условий окружающей среды, включая температуру (4-80 °C) и влажность (10-80 % относительной влажности). Это резко контрастирует с существующими нагревателями на основе гидрогелевых электродов, которые быстро теряют производительность в экстремальных условиях, таких как низкая температура и низкая влажность или высокая температура и высокая влажность.

Кроме того, исследовательская группа продемонстрировала автономную систему терморегулирования, реализовав платформу, на которой нагреватель автоматически активируется, когда температура окружающей среды опускается ниже заданного значения. Эта технология применима в различных областях, включая носимые нагреватели, умные теплицы и системы противообледенения лобового стекла автомобилей.

Рис. 1) Области применения автономной системы терморегулирования с демонстрацией в реальных условиях. а) Автономная система терморегулирования на базе Arduino и три сценария практического применения: носимое терморегулирующее устройство, интеллектуальная теплица и прозрачная система размораживания. б) Носимое устройство терморегуляции с автоматической активацией при понижении температуры ниже 15 °C для защиты от холода. в) Интеллектуальная система климат-контроля теплицы, поддерживающая оптимальную температуру для роста растений (23 °C) с помощью прозрачного диэлектрического нагревателя. г) Демонстрация прозрачной системы размораживания с использованием жидкого азота, показывающая избирательное предотвращение образования инея при сохранении оптической прозрачности при 0 °C.

Рис. 2) Проектирование и характеристика растяжимого прозрачного диэлектрического нагревателя с ионогелевыми электродами. а) Схематическое изображение диэлектрического нагревателя с многослойной структурой, в котором диэлектрический слой из ПВХ-геля расположен между ионогелевыми электродами и диэлектрическим нагревательным механизмом. б) Молекулярная структура ионогелевого электрода, состоящего из сети P(AAm-co-HEA) с ионной жидкостью EMIMDCA. в) Стратегия ковалентного связывания между ионогелевым электродом и ПВХ-гелем, инициируемая ультрафиолетом с использованием фотоинициатора бензофенона. г) Фотография растяжимого и прозрачного нагревателя. д) Демонстрация механической податливости с сохранением структурной целостности в исходном состоянии, а также при изгибе, скручивании и растяжении.

Рис. 3) Систематическая оптимизация свойств ионогелевого электрода для повышения производительности. Ионная проводимость и механические свойства ионогелевого электрода в зависимости от соотношения сополимеров (a, b), содержания сшивающего агента (c, d) и концентрации ионной жидкости (e, f).

Рис. 4) Характеристика тепловых характеристик и эксплуатационная стабильность диэлектрического нагревателя на основе ионогелевого электрода. а) Зависимость нагревательной способности от частоты при 200 В. б) Зависимость нагревательной способности от напряжения при 50 Гц. в) Влияние толщины диэлектрического слоя на нагревательную способность при 200 В и 50 Гц. г) Инфракрасные тепловые изображения и оптические фотографии нагревателя, демонстрирующие повышение нагревательной способности при механическом растяжении. д) Профиль температуры, демонстрирующий повышение тепловых характеристик при деформации. е) Сравнение долгосрочной стабильности систем с ионогелевыми и гидрогелевыми электродами. ж) Циклическая стойкость при 450 циклах включения-выключения

Рис. 5) Оценка экологической стабильности диэлектрических нагревателей с использованием ионогелевых и гидрогелевых электродов в суровых условиях окружающей среды. а) Сравнительная эффективность нагрева после 12-часового воздействия различных температур (23, 40 и 80 °C). б) Эффективность нагрева при различных условиях относительной влажности (10%, 40% и 60% RH). в) Работа при низкой температуре 4 °C: сравнение тепловой мощности системы с ионогелевым электродом и гидрогелевым электродом. г) Оценка термической стабильности диэлектрических нагревателей на основе ионогелевых и гидрогелевых электродов во время циклического испытания на сушку (80 °C, 12 ч) и набухание (деионизированная вода, 12 ч).

«Данное исследование имеет большое значение, поскольку оно преодолевает ограничения существующих гидрогелевых электродов в плане стабильности в окружающей среде за счет использования подхода на основе ионогеля» - сказал профессор Бэ Чжин У, добавив: «Оно может быть применено в различных областях реальной жизни, таких как здравоохранение нового поколения, позволяющее проводить тепловую терапию, электронные системы нового поколения, требующие прозрачности и эластичности, и мягкая робототехника с возможностью свободного изменения формы».

Результаты данного исследования опубликованы 2 февраля в международном журнале по материаловедению «Small».

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технология #медицина #бизнес #финансы #нагреватели #гидрогели #энергетика #теплицы #термотерапия #гаджеты #общество #культура #искусство #азия