(PhysOrg.com) - Entre as muitas aplicações de materiais termoelétricos flexíveis está um relógio de pulso movido pela diferença de temperatura entre o corpo humano e o ambiente ao redor. Mas se você quisesse este relógio feito de nanotubos de carbono (CNT) / materiais de polímero de baixo custo, você precisaria atualmente de um pedaço de tecido com uma área de cerca de 500 cm ² , que é cerca de 50 vezes maior do que a área de um relógio de pulso típico.

Para tornar essas aplicações mais práticas, uma equipe de pesquisadores desenvolveu um novo projeto de CNT / polímero multicamadas e demonstrou que tem uma saída de energia muito maior em comparação com os projetos anteriores. O novo CNT / polímero, que os pesquisadores chamam de “Power Felt, ”Também tem o potencial de ser muito mais barato do que outros materiais termelétricos.

A equipe de pesquisa, que inclui Ph.D. o aluno Corey Hewitt e o professor David Carroll da Wake Forest University, junto com colaboradores de outras instituições, publicou um artigo sobre o novo design de tecido termoelétrico em uma edição recente da Nano Letras .

Embora a termoelétrica tenha sido estudada e usada comercialmente por várias décadas, eles são tradicionalmente feitos de materiais inorgânicos, como telureto de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ) Mas uma pesquisa recente mostrou que os materiais orgânicos podem fornecer uma alternativa promissora, com vantagens como baixo custo, facilidade de produção, e flexibilidade. Por enquanto, os materiais orgânicos ainda ficam atrás dos inorgânicos em termos de desempenho.

Uma das chaves para projetar um tecido termoelétrico de alto desempenho é criar uma grande diferença de temperatura em lados opostos do material. Como os materiais termoelétricos de polímero / CNT são muito finos, a diferença de temperatura perpendicular à superfície do filme é limitada.

Para resolver este problema, os pesquisadores aqui projetaram um CNT / filme de polímero multicamadas que permite o arranjo do gradiente de temperatura paralelo à superfície do filme. O filme consiste em até centenas de camadas alternadas de material condutor (um polímero contendo CNTs) e material isolante (polímero puro) unidos. Cada camada tem uma espessura de apenas 25-40 µm. Quando o tecido está sujeito a uma diferença de temperatura paralela à superfície, elétrons ou buracos viajam do lado quente para o lado frio devido ao efeito Seebeck, que converte a diferença de temperatura em voltagem.

Como explicam os pesquisadores, a quantidade de voltagem gerada (e potência total de saída) é igual à soma das contribuições de cada camada. Portanto, adicionar camadas ao tecido é equivalente a adicionar fontes de tensão em série, e o número de camadas é limitado apenas pela capacidade da fonte de calor de produzir uma mudança suficiente na temperatura em todas as camadas. Aqui, a temperatura da fonte de calor é limitada a 390 K (117 ° C, 242 ° F), o ponto em que o polímero começa a se deformar.

Experimentos em um tecido de 72 camadas demonstraram uma geração máxima de energia de 137 nW a uma diferença de temperatura de 50 K. Mas os pesquisadores preveem que a produção de energia pode ser aumentada; por exemplo, eles calculam que um tecido de 300 camadas exposto a uma diferença de temperatura de 100 K tem uma potência teórica de até 5 µW.

De outra perspectiva, o relógio de pulso mencionado acima exigiria muito menos tecido do que o requisito atual de 500 cm ² .

“Conforme apresentado, a exigência de área do nosso tecido é da ordem de aproximadamente 10 cm ² , ”Carroll disse PhysOrg.com . "Contudo, o objetivo do papel é mostrar que as camadas do tecido adicionam-se um tanto linearmente. Isso significa que, à medida que mais camadas são tecidas no tecido (e estas podem ser camadas extraordinariamente finas), quanto mais energia pode ser colocada em uma área menor. Portanto, o tecido que mostramos simplesmente demonstra esse fato, mas não o otimiza. Assim, pode demorar 10 cm ² do tecido que mostramos, mas também fizemos tecidos para os quais apenas alguns centímetros ² poderia alimentar o relógio. E poderíamos ir mais longe. ”

Em termos de custo, se termelétricas CNT / polímero são produzidas em grande escala, a eletricidade que geram pode custar apenas $ 1 por watt devido ao baixo custo do material e à facilidade de produção. Em contraste, Bi ₂ Te ₃ termelétricas atualmente geram eletricidade a um custo de cerca de US $ 7 por watt. Como Carroll explicou, o verdadeiro teste dos materiais será o custo.

“O que é diferente no que temos feito é produzir algo em um formato que permita a aplicação de grandes áreas dos materiais, " ele disse. "Assim, grandes quantidades de energia podem ser geradas e, contanto que o custo seja baixo, então, o $ / W é competitivo com outras formas de captura de energia. É claro que isso não seria possível sem duas grandes inovações no papel. O primeiro, como já indiquei, é a dobra do tecido em forma de origami que permite que as camadas intermediárias adicionem seu poder. A segunda diz respeito a essa coisa de "custo". Observe que não usamos esteiras de nanotubos de carbono puro. Em vez, nossos tapetes são principalmente polímeros commodity com nanotubos adicionados. Assim, o custo do elemento caro é reduzido ao mínimo, sem sacrificar o desempenho geral. ”

The researchers predict that low-cost organic thermoelectric fabrics could have a multitude of applications. Besides the wristwatch, another wearable application could be winter jackets with thermoelectric inside liners that use the temperature difference between body heat and the outdoor temperature to power electronic devices, such as an iPod.

Other potential applications include recapturing a car’s wasted heat energy in order to improve fuel mileage, and lining a vehicle’s seats with the fabric to provide electricity for the vehicle’s battery. If installed under roof shingles, the fabric could generate electricity on hot days to help lower a building’s electricity bills. And in emergencies, the fabric could potentially be used to power a cell phone or flashlight.

“There are a very wide variety of applications for which these materials will now be perfectly adequate [with their current power output], ” Carroll said. “Furthermore, if more power is required, there is the option of simply making larger sheets of fabric. Because of the cost advantages, this is still cheaper than going to more expensive Bi ₂ Te ₃ . Imagine, por exemplo, putting this material throughout the bodies of automobiles, supplying both sound dampening (which they must already do) and adding the functionality of power scavenging for only a nominal cost above the materials used currently. As with all organic electronics, the real transformative power of this innovation lies in its economic vs. technical advantages.”

No futuro, the researchers plan to further improve the power output of each film, using methods such as chemical treatment of the CNTs and increasing the electrical conductivity of the polymers.

“Will we improve the performance? YES!” Carroll said. “We have already begun making significant advances in improving the overall power output and there is much more ground to cover. For you physics readers out there, the basic principle of suppressed phonon modes through scattering processes, coupled with fractal networks made of sections of phase coherent transport, is still young and we are confident we have not yet tapped into the real potential yet.”

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