Alimentando dispositivos vestíveis com fios de nanotubos de carbono de alto desempenho
O novo método proposto por pesquisadores para dispersão de nanotubos de carbono (CNTs) utiliza glicerol como dispersante e éter estearílico de polioxietileno(50) como surfactante. Este método alinhou os nanotubos de carbono e os surfactantes incorporados entre os feixes de CNT, melhorando a condutividade elétrica e suprimindo a condutividade térmica, resultando em melhorias significativas no desempenho termoelétrico dos CNTs em comparação com os métodos convencionais. Crédito:Masakazu Nakamura Com o crescimento da Internet das Coisas, soluções sustentáveis para alimentar sensores e dispositivos sem fio são consideradas importantes. Os geradores termoelétricos, por exemplo, que têm a capacidade de converter o calor residual em eletricidade, podem oferecer uma solução sustentável. Pesquisadores de todo o mundo têm trabalhado nessas soluções.
Uma equipe de pesquisa, liderada por Masakazu Nakamura do Instituto de Ciência e Tecnologia de Nara (NAIST), no Japão, também tem trabalhado em geradores termoelétricos vestíveis e flexíveis que produzem eletricidade a partir do calor do corpo, costurando nanomateriais chamados nanotubos de carbono (CNTs) em tecidos.
Os materiais termoelétricos eficazes (TE) são caracterizados por alta condutividade elétrica, permitindo alta corrente elétrica e um grande coeficiente Seebeck gerando tensão por diferença de temperatura. Os CNTs atendem à maioria desses requisitos. Sua flexibilidade e alta resistência mecânica também os tornam promissores para diversas aplicações de TE. No entanto, a alta condutividade térmica dos CNTs limita o seu desempenho no TE.
Para diminuir a sua condutividade térmica, os CNTs são dispersos numa solução onde podem ser combinados com outros materiais. Esta dispersão é então fiada em fios CNT usando um processo de fiação úmida. No entanto, os métodos convencionais de dispersão muitas vezes emaranham filamentos de CNT com espessura nanométrica, o que reduz sua condutividade elétrica e desempenho termoelétrico.
Agora, porém, em um estudo publicado na ACS Applied Nano Materials , Nakamura, junto com um Ph.D. o estudante Anh N. Nguyen e outros membros também do NAIST apresentam um novo método para dispersar CNTs. Ao utilizar glicerol como dispersante e éter estearílico de polioxietileno (50) como surfactante (uma substância usada para melhorar as propriedades de espalhamento e umectação de um líquido), os pesquisadores alcançaram um fio CNT com feixes de CNT alinhados.
“Introduzimos um método de baixo custo, rápido e ecologicamente correto para o desenvolvimento de dispositivos termoelétricos vestíveis flexíveis e do tipo tecido”, diz Nakamura.
Imagens topográficas de moléculas de surfactante (indicadas por retângulos vermelhos) em feixes de CNT observadas por Microscopia de Força Atômica Modulada em Frequência (FM-AFM). Em vez da fiação úmida, onde a dispersão é injetada em metanol, o CNT foi revestido por rotação com dispersão diluída em um SiO hidrofílico2 /Si substrato e enxaguado com metanol. Crédito:Masakazu Nakamura
O glicerol é altamente viscoso, tornando-o um excelente meio para dispersar uniformemente os CNTs, enquanto o surfactante evita que os CNTs se aglomerem na dispersão. Os surfactantes com grupos oxietileno também impedem a transferência de calor ao ficarem entre os feixes de CNT.
A concentração do surfactante é crucial, pois influencia tanto a condutividade térmica quanto a elétrica da dispersão de CNT. Depois de testar as propriedades do CNT em várias concentrações de surfactante (3%, 4% e 5%), os pesquisadores descobriram que uma concentração de surfactante de 3%, quando combinada com uma solução contendo glicerol e CNT, deu os melhores resultados. O processo, que levou apenas três horas para ser concluído e utilizou produtos químicos ecologicamente corretos, produziu fios de CNT com feixes de CNT de oito nm de diâmetro altamente alinhados com surfactante entre eles.
O alinhamento dos CNTs normalmente aumenta a condutividade elétrica e térmica. No entanto, ao colocar moléculas de surfactante entre os feixes de CNT, os pesquisadores conseguiram suprimir o transporte de calor. Os fios CNT tinham fator de potência de 242 μW m
−1
K
−2
(refletindo desempenho) três vezes superior ao dos fios CNT obtidos anteriormente a partir de métodos que utilizam líquidos iônicos como dispersantes.
“A chave para o alto desempenho é desvendar o emaranhado do material CNT bruto e aumentar o grau de orientação do CNT quando girado a partir da dispersão”, explica Nakamura.
Assim, a nova abordagem proposta é promissora para melhorar o desempenho termoelétrico de materiais CNT, desde fios até filmes e estruturas a granel.
