Плетеные волокна из нанотрубок превращают тепло в электричество

Невидимые небольшие углеродные нанотрубки, выровненные как волокна и вшитые в ткани, становятся термоэлектрическим генератором, который может преобразовывать тепло от солнца или других источников в другие формы энергии.

Лаборатория физика Дзюнъитиро Коно (Junichiro Kono) в Университете Райса вместе с учеными из Токийского столичного университета и Carbon Hub, базированного в Университете Райса, предприняла попытку создать нестандартные волокна из нанотрубок и проверить их потенциал для крупномасштабных приложений.

Их маломасштабные эксперименты привели к созданию гибкой хлопчатобумажной ткани, усиленной волокном, которая превращала тепловую энергию в электрическую энергию, достаточную для питания светодиода. По их словам, при дальнейшем развитии такие материалы могут стать строительными блоками для волоконной и текстильной электроники и сбора энергии.

Те же волокна из нанотрубок можно также использовать с высокой эффективностью в качестве радиаторов для активного охлаждения чувствительной электроники.

Эффект кажется простым: если одна сторона термоэлектрического материала горячее, чем другая, он производит полезную энергию. Тепло может исходить от солнца или других устройств, таких как конфорки, использованные в эксперименте с тканью. И наоборот, добавление энергии может побудить материал охладить более горячую сторону.

До сих пор ни одна макроскопическая сборка наноматериалов не демонстрировала необходимый «гигантский коэффициент мощности», около 14 мВт/(м•К)2, который исследователи Райса измерили в волокнах углеродных нанотрубок.

«Коэффициент мощности показывает, какую удельную мощность можно получить из материала при определенной разнице температур и температурном градиенте», - сказала аспирантка Нацуми Комацу (Natsumi Komatsu), ведущий автор статьи. Она отметила, что коэффициент мощности материала - это комбинированный эффект от его электропроводности и того, что известно как коэффициент Зеебека, мера его способности преобразовывать тепловые различия в электричество.

«Сверхвысокая электропроводность этого волокна была одним из ключевых атрибутов», - сказала Комацу.

Источник этой сверхмощи также связан с настройкой внутренней энергии Ферми нанотрубок, свойства, которое определяет электрохимический потенциал. Исследователи смогли контролировать энергию Ферми, химически легируя нанотрубки, из которых сделаны волокна, в лаборатории соавтора, химика и биомолекулярного инженера Маттео Паскуали (Matteo Pasquali), что позволило им настроить электронные свойства волокон.

В то время как протестированные волокна были разрезаны на сантиметровые отрезки, Комацу заявила, что нет причин, по которым устройства не могут использовать превосходные волокна нанотрубок из лаборатории Паскуали, которые намотаны непрерывными отрезками. «Независимо от того, где вы их измеряете, они обладают такой же очень высокой электропроводностью, - сказала она. - Кусок, который я измерила, был маленьким только потому, что моя установка не способна измерять 50-метровые волокна».

«Волокна из углеродных нанотрубок находятся на устойчивом пути роста и доказывают свои преимущества во все большем количестве применений. Вместо того, чтобы тратить углерод впустую, сжигая его в двуокись углерода, мы можем исправить его как полезные материалы, которые принесут дополнительные экологические выгоды при производстве и транспортировке электроэнергии» - отметил Паскуали.

Еще неизвестно, приведет ли новое исследование к созданию солнечной панели, которую можно использовать в стиральной машине, но Коно согласился, что у этой технологии большой и разнообразный потенциал.

Аспирант Райс Нацуми Комацу демонстрирует усиленную углеродными нанотрубками гибкую хлопковую ткань, которая преобразует тепло в энергию, достаточную для питания светодиода. Такие термоэлектрические генераторы могут превращать тепло от солнца или других источников в электричество