Человеческое тепло в электроэнергию: новые материалы смогут питать гаджеты вечно

Человеческое тепло в электроэнергию: новые материалы смогут питать гаджеты вечно

Ученые 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 температурных 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 4 раза, до ~92 ?Вт·mK-2.

По словам участника научной группы со стороны НИТУ "МИСиС", к. ф.-м. н., 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.

Справка о НИТУ "МИСиС"

НИТУ "МИСиС" в 2018 году отметил 100-летие со дня основания Московской горной академии, преемником которой является. Сегодня НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по десяти направлениям, входя в топ-100 в категориях "Инжиниринг-Горное дело" (рейтинг QS) и "Инжиниринг-Металлургия" (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ "МИСиС" находится в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).

Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нано- и ИТ-технологий. В состав университета входит 9 институтов, 6 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" учатся более 17000 обучающихся из 75 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие ученые России и мира. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими российскими и зарубежными высокотехнологичными компаниями.