Dispozitivul ar putea fi integrat în îmbrăcăminte, recolta căldură corporală pentru a alimenta gadgeturile.
Neplăcerea nr. 1 cu smartphone-urile și ceasurile inteligente este că trebuie să le încărcăm în fiecare zi. Cu toate acestea, ca creaturi cu sânge cald, generăm căldură tot timpul și acea căldură poate fi transformată în electricitate pentru unele dintre obiectele electronice pe care le purtăm.
Dispozitivele termoelectrice flexibile, sau F-TED, pot converti energia termică în energie electrică. Problema este că F-TED-urile nu erau de fapt suficient de flexibile pentru a fi purtate confortabil sau suficient de eficiente pentru a alimenta chiar și un ceas inteligent. Erau și foarte scumpe de făcut.
Dar acum, o echipă de cercetători australieni crede că au realizat în sfârșit o descoperire care ar putea scoate F-TED-urile de la sol.
„Puterea generată de filmul termoelectric flexibil pe care l-am creat nu ar fi suficientă pentru a încărca un smartphone, dar ar trebui să fie suficientă pentru a menține un ceas inteligent”, a spus Zhi-Gang Chen, profesor la Universitatea de Tehnologie Queensland din Brisbane, Australia. Înseamnă asta că am ajuns într-un punct în care ar fi posibil să facem o curea Apple Watch termoelectrică care să țină ceasul încărcat tot timpul? „Ar fi nevoie de ceva inginerie industrială și optimizare, dar cu siguranță putem obține o astfel de curea de ceas inteligent”, a spus Chen.
Raiul producatorului
Generatoarele termoelectrice care produc suficientă putere pentru a rula ceva ca un Apple Watch au fost, până acum, fabricate din materiale rigide în vrac. Problema evidentă cu ei a fost că nimeni nu ar dori să poarte o placă de metal la încheietura mâinii sau să treacă un cablu de alimentare de oriunde altundeva la ceas. Dispozitivele termoelectrice flexibile, pe de altă parte, erau perfect purtabile, dar ofereau eficiențe care le făceau bune pentru consum redus. electronice de monitorizare a sănătății mai degrabă decât hardware-ul mai consumator de energie, cum ar fi ceasurile inteligente.
În 2021, generarea de 35 de microwați pe centimetru pătrat într-o brățară purtată în timpul unei plimbări tipice afară a fost suficient de impresionantă pentru a așeza lucrarea ta de cercetare în Nature. Astăzi, Chen și colegii săi au realizat un dispozitiv termoelectric flexibil care a funcționat de peste 34 de ori mai bine la temperatura camerei. „Din câte știm, deținem un record actual în acest domeniu”, spune Chen.
Mai mult, filmul lor termoelectric a fost realizat folosind telurura de bismut, un semiconductor cu un proces de fabricație destul de simplu. „Am vrut să alegem metoda cea mai rentabilă, astfel încât fiecare pas nu a necesitat prea mult timp sau energie”, spune Xiao-Lei Shi, cercetător la Universitatea Tehnică din Queensland și co-autor al studiului. Pentru realizarea filmului, echipa a folosit o tehnică numită serigrafie, care este utilizată pe scară largă în fabricarea plăcilor de circuite imprimate. Procesul a început cu sintetizarea nanoplachetelor de telurură de bismut și a nanorodurilor de telur într-o autoclavă la temperatură și presiune ridicată. Apoi, cei doi compuși au fost amestecați pentru a produce o cerneală.
Apoi, cerneala a fost folosită pentru a înmuia un ecran care a fost apoi presat pe un substrat de poliamidă foarte subțire. În cele din urmă, substraturile cu cerneala depusă au fost topite împreună prin aplicarea de curent pulsat ridicat și presiune în același timp într-un proces numit sinterizare cu plasmă scânteie. „Procesul este ușor de realizat și ușor de extins”, susține Chen. Pelicula termoelectrică flexibilă rezultată avea o grosime de doar un micron și totuși a funcționat ca un farmec.
Aplecându-se
Pentru a testa ceea ce poate face filmul, echipa a tăiat manual o mică probă dintr-o foaie de material de dimensiune A4 și a montat-o cu electrozi de pastă de argint conectați la echipamente de măsurare. Generatorul a obținut o putere de ieșire de 1,2 miliwați pe centimetru pătrat folosind o diferență de temperatură între piele și părțile orientate spre aer măsurată la 20 Kelvin. Aceasta înseamnă că o astfel de performanță ar trebui să fie mai mult sau mai puțin realizabilă la o plimbare când afară sunt în jur de 16° Celsius – deci nici prea cald, nici prea frig.
În timp ce telurura de bismut a fost folosită pentru a produce folii termoelectrice flexibile înainte, cheia pentru performanța record a filmului lui Chen a fost adăugarea de nanorods de telur. S-a dovedit că, având 7,5 la sută din greutatea acestor tije în cerneală, le-a permis să umple porii din stratul de telură de bismut, făcându-l mai dens și conectând nanorodurile de telur.
În plus, cerneala a avut un efect foarte mic asupra flexibilității. Echipa lui Chen a îndoit filmul de o mie de ori și a descoperit că tulpina a fost redusă doar cu 2 procente în comparație cu substratul de poliamidă, fără să se depună cerneală pe acesta. Îndoirea repetată a avut, de asemenea, un impact limitat asupra performanței, care a scăzut cu 2% în timpul acestor teste.
Dar a servi drept material potențial pentru curelele smartwatch generatoare de energie este doar o față a monedei termoelectrice. Celălalt este răcirea termoelectrică, care este practic procesul de colectare a energiei care se desfășoară în sens invers – curentul electric este folosit pentru a scădea temperatura. Și echipa lui Chen are și asta în vizor.
Rămâi rece
„Am demonstrat că dispozitivul nostru poate atinge o scădere a temperaturii de până la 11,7 Kelvin fără nici un radiator [and] cu un curent de intrare foarte mic”, spune Chen. Pentru testele de răcire, echipa a folosit același dispozitiv pe care l-a folosit pentru generarea energiei. A fost nevoie de doar 84,2 miliamperi pentru a produce acea diferență de 11,7 Kelvin între cele două părți ale materialului. „Deoarece grosimea filmului este de doar un micrometru, este posibil să îl integrăm cu cipuri de siliciu în viitor. Pentru noi aceasta ar fi o nouă direcție de cercetare”, susține Chen.
El sugerează că filmele termoelectrice de răcire vor fi deosebit de utile în procesoarele cu dimensiuni mici ale caracteristicilor, cum ar fi arhitecturile cu trei nanometri utilizate în familia de cipuri Apple M3. Echipa susține în studiul lor că peliculele termoelectrice ultra-subțiri ar putea fi aplicate direct pe cipuri pentru a oferi putere de răcire și de recoltare în același timp. Acest lucru, susțin cercetătorii, nu ar trebui să necesite modificări radicale în fabricarea cipurilor, deoarece serigrafia este oricum utilizată în timpul producției de procesoare.
Totuși, există unele îmbunătățiri la care trebuie lucrat înainte ca acest lucru să se întâmple. Chen ar dori să îmbunătățească flexibilitatea materialului – scopul său este ca filmul să se îndoaie de 10.000 sau chiar de 1.000.000 de ori înainte de a obține o lovitură de performanță. „A treia provocare este integrarea. Cum integrăm dispozitivele termoelectrice flexibile cu cipuri de siliciu”, spune Chen. Integrarea filmelor termoelectrice cu cipuri de siliciu ar necesita reproiectarea managementului termic și al puterii acelor cipuri pentru a funcționa cu răcirea termoelectrică și stabilirea proceselor de fabricare a acestor filme la o scară cu adevărat masivă. „Acest lucru ar necesita oameni de știință și ingineri din mai multe discipline să lucreze împreună pentru a realiza acest lucru”, adaugă Chen. Și ceea ce echipa sa crede că ar trebui să-i aducă pe toți oamenii de știință și ingineri împreună este simplitatea designului lor.
„Alte cercetări asupra filmelor termoelectrice flexibile sunt complicate – mecanismele implicate sunt foarte greu de reprodus”, susține Shi. „Lucrarea noastră este unică prin faptul că este foarte ușor de reprodus și utilizat pentru aplicații practice.”
Science, 2024. DOI: 10.1126/science.ads5868
Jacek Krywko este un scriitor independent de știință și tehnologie care acoperă explorarea spațiului, cercetarea inteligenței artificiale, informatica și tot felul de vrăjitorie inginerească.
Comentarii recente