6 Minute
Cercetători conduși de Universitatea Peking au raportat un material termolectric elastic, asemănător cauciucului, care transformă diferența de temperatură dintre pielea umană și aerul ambiental în energie electrică. Publicată în Nature, lucrarea demonstrează un elastomer termolectric de tip n care combină elasticitate ridicată cu performanțe electrice îmbunătățite, deschizând căi pentru senzori purtabili autoalimentați, plasturi pentru monitorizarea sănătății și, potențial, dispozitive implantabile care recuperează căldura corporală.
Cum generează materialul electricitate
Dispozitivul funcționează pe principiul termolectricității: un gradient de temperatură produce un flux de purtători de sarcină, ceea ce generează un curent electric. În termeni practici, corpul uman la aproximativ 37°C prezintă o suprafață caldă în raport cu aerul înconjurător (adesea 20–30°C). Când elastomerul este plasat pe piele, diferența persistentă de temperatură piele-aer conduce la generare continuă de energie electrică, fără piese în mișcare.
Conversia termolectrică depinde de trei proprietăți ale materialului: coeficientul Seebeck (tensiune pe unitate de diferență de temperatură), conductivitatea electrică și conductivitatea termică. Echipa de la Universitatea Peking a proiectat un compozit polimeric elastic care păstrează transportul electronic favorabil, menținând în același timp conductivitate termică scăzută și conformabilitate mecanică excelentă — o combinație rară care produce putere utilă din diferențe mici de temperatură caracteristice corpului uman.
Ingineria materialelor și inovații cheie
Un avans central în lucrarea raportată este dezvoltarea unui elastomer termolectric de tip n care rămâne conductor sub deformare mecanică. Istoric, obținerea unor materiale atât foarte elastice, cât și conductive electric a fost o provocare majoră: umpluturile conductive sau fazele rigide compromit adesea recuperarea elastică, în timp ce polimerii moi lipsesc, în general, de performanță electronică.
Echipa de cercetare a abordat această problemă printr-o arhitectură de compozit polimeric și prin dopare moleculară țintită. Au adăugat un dopant, N-DMBI (N,N'-dimetilbenzimidazolină), în cantități foarte mici pentru a crește densitatea de purtători și conductivitatea electrică fără a fragiliza matricea. Elastomerul dopaț arată îmbunătățiri substanțiale ale performanței de generare a energiei comparativ cu variantele nedopate, păstrând totodată comportamentul asemănător cauciucului.
Performanța mecanică
Din punct de vedere mecanic, compozitul își recapătă forma inițială după ce este alungit până la aproximativ 150% din lungimea de repaus și poate tolera torsiuni extreme raportate peste 850% în testările de laborator. O astfel de reziliență înseamnă că dispozitivele realizate din material se pot conforma strâns pe suprafețe corpului curbe sau aflate în mișcare — încheieturi, piept sau îmbrăcăminte — menținând contact termic și recoltare fiabilă de energie în timpul mișcării purtătorului.
Aplicații potențiale și implicații
Prin permiterea unei recoltări continue a energiei de la piele, aceste elastomere termolectrice ar putea reduce sau elimina nevoia de baterii voluminoase în multe dispozitive mici, cu consum redus. Aplicațiile imediate includ monitoare de sănătate purtabile, trackere de fitness și senzori de mediu care funcționează ca plasturi sau module integrate în îmbrăcăminte. Pentru utilizări medicale, plasturii autoalimentați pentru monitorizarea cardiacă sau metabolică ar putea funcționa perioade extinse fără reîncărcare.
Perspectivele pe termen lung se extind la electronice implantabile care recuperează căldura metabolică pentru a susține dispozitive cu consum redus și la senzori distribuiți pentru Internet of Things (IoT) care funcționează fără întreținere în îmbrăcăminte sau pe piele. Totuși, trecerea la produse comerciale va necesita lucrări adiționale privind stabilitatea, biocompatibilitatea, producția de putere susținută în condiții reale și fabricarea scalabilă.
Detalii experimentale și metrici de performanță
Articolul din Nature descrie pașii de fabricație, caracterizarea electrică și mecanică și demonstrațiile prototipurilor. Metricile cheie raportate includ răspunsul Seebeck al materialului, conductivitatea electrică după doparea cu N-DMBI și puterea generată sub trepte de temperatură reprezentative piele–aer. Studiul documentează, de asemenea, cicluri repetate de întindere și recuperare pentru a evalua durabilitatea în condiții relevante pentru dispozitive purtabile.
Opinia experților
Dr. Maya Singh, inginer de materiale care cercetează sisteme energetice flexibile, a comentat: "Acest studiu abordează un compromis persistent în electronica moale: combinarea performanței electrice ridicate cu elasticitatea extremă. Utilizarea țintită a dopaților moleculari precum N-DMBI, împreună cu o rețea polimerică conformabilă, este un traseu pragmatic către termolectrice purtabile aplicabile în lumea reală. Următoarele repere vor fi stabilitatea pe termen lung, encapsularea pentru transpirație și mișcare și integrarea cu senzori cu consum scăzut și circuite de gestionare a energiei."
Tehnologii conexe și perspective viitoare
Elastomerele termolectrice completează alte abordări de recoltare a energiei pentru dispozitive purtabile, precum generatoarele piezoelectrice (recuperarea mișcării), țesăturile fotovoltaice (recuperarea luminii) și celulele combustibile biochimice (extragerea metabolitilor din transpirație). Sistemele hibride care combină mai mulți colectori pot crește fiabilitatea generală și bugetele de putere. Pentru adoptarea comercială, inginerii trebuie, de asemenea, să optimizeze factorii de formă ai dispozitivelor, potrivirea impedanței și strategiile de stocare a energiei (condensatoare mici sau baterii subțiri) pentru a netezi ieșirea variabilă de putere.
Concluzie
Studiul condus de Universitatea Peking reprezintă un avans important în materiale în direcția electronicii purtabile autoalimentate. Demonstrând un elastomer termolectric de tip n care își păstrează conductivitatea sub deformații mari și beneficiază de dopare moleculară, lucrarea arată cum căldura corporală poate fi recoltata continuu într-un format flexibil, conform pielii. Progresele continue legate de stabilitate, integrare și fabricație vor determina cât de rapid se va transforma această tehnologie din prototipuri de laborator în monitoare de sănătate zilnice, îmbrăcăminte și sisteme implantabile care nu mai depind de reîncărcări frecvente.
Sursa: techxplore
Comentarii