Физики разработали самовосстанавливающиеся генераторы для носимой электроники

Wei Ren / Science Advances, 2021

Китайские физики разработали эффективный гибкий термоэлектрический генератор с эффектом восстановления. Для этого они поставили полупроводниковые пластины на полимерную подложку, а проводку сделали из жидкого сплава. Благодаря этому устройство можно согнуть и даже сломать — вернувшись в исходное положение, оно восстановит свою проводимость мгновенно, а механическая упругость вернется примерно через полтора часа. Из полученных термоэлектрических ячеек можно составлять большие схемы просто соединяя их и смачивая поверхность соприкосновения полимеризующимся раствором. Статья опубликована в Science Advances.

Термоэлектрические генераторы — это устройства, способные перерабатывать тепло в электроэнергию. В зависимости от области применения источником тепла может быть космическое излучение для космических аппаратов или выхлопные газы в автомобилях. Для выработки небольших токов может использоваться даже тепло человеческого тела, поэтому в будущем они могут стать популярным вариантом источника энергии для носимой электроники. 

Принцип работы таких генераторов основан на эффекте Зеебека: потенциал возникает в системе из двух проводников или полупроводников при наличии градиента температуры. Выходная мощность таких устройств очень мала, но ее может хватить для приборов с низким потреблением. 

На сегодняшний день разработанные прототипы термоэлектрических генераторов очень жесткие и хрупкие, что сильно затрудняет их применение в сложных геометрических конфигурациях, поэтому разработка их гибких аналогов вызывает особенный интерес. Уже известны прототипы на основе термоэлектрических пленок, чернил и волокон. Тем не менее существенным ограничением является плохая растяжимость прототипов даже на основе этих материалов. А это один из ключевых параметров для приборов, закрепляемых на человеческом теле.

Группа ученых под руководством Вэй Жэня (Wei Ren) из Харбинского политехнического университета разработала гибкий термоэлектрический генератор. Для этого они поместили термоэлектрические пластины на полимерную подложку. Для получения пластин ученые напыляли халькогениды висмута и сурьмы на полиимидную поверхность при высокой температуре, после чего выдерживали при 320 градусах Цельсия в атмосфере аргона в течение 26 минут. Соединения висмута в этом случае — это полупроводник p-типа, а соединения сурьмы — n-типа. 

Для соединения двух видов полупроводников авторы использовали напыление из золота и германия. Полученные термоэлектричееские пластины закрепили на подложке, прорезав в полииминном полимере щели, после чего нанесли между ними проводку из галлия, индия и оксида кремния. Галлий с индием — это жидкий проводящий сплав, а оксид кремния — это закрепитель, который делает его более вязким, благодаря чему он не стекает с подложки. После подготовки полимерной подложки, физики вставили в нее полученные ранее термоэлектрические пластины, залив оставшиеся полости полимеризующимся раствором для фиксации. Благодаря жидкой проводке и способности полииминных полимеров восстанавливать ковалентные связи после разрыва устройство получилось гибким и самовосстанавливающимся.


Далее авторы измерили выходную мощность полученного устройства. Они поместили его на нагревающуюся подложку и накрыли сверху теплоотводом. Разницу температур между горячей подложкой и теплоотводом варьировали от 6 до 95 градусов. Температура теплоотвода при этом была постоянной (20 градусов Цельсия). Выяснилось, что максимальная мощность устройства растет с разницей температур и достигает своего максимума — 19 микроватт на квадратный сантиметр — при разнице 95 градусов. При этом напряжение составляет один вольт на квадратный сантиметр, что сильно больше, чем у других гибких термоэлектрических генераторов. Проведенный авторами тест на долговечность показал, что устройство сохраняет свою мощность даже после 100 часов при температуре подложки 100 градусов Цельсия. Закрепленный на коже генератор обеспечивает мощность 45 и 83 нановатт на квадратный сантиметр при 25 и 33 милливольт на квадратный сантиметр для сидящего и идущего человека соответственно.


Благодаря проводке из жидкого сплава и составу полимера, полученное устройство может восстанавливаться даже после разлома. Жидкая проводка восстанавливает проводимость сразу, после возращения устройства в исходное положение. Подложка же восстанавливается спустя какое-то время. Благодаря восстановлению ковалентных связей, она полностью сохраняет свои механические свойства, включая растяжимость. Устройство может растягиваться до 120 процентов от своих изначальных размеров. Помимо этого, разработанное авторами устройство может быть переработано и восстановлено. Если поместить его в раствор соответствующих полимеру подложки мономеров: 3,3’-диамино-N-метилдипропиламина и трис(2-аминоэтил)амина, то полимер подложки разложится на мономеры, которые можно потом собрать и восстановить.


Разработанная авторами технология изготовления термоэлектрических генераторов позволяет комбинировать их между собой. Для этого две ячейки прижимаются друг к другу полимерными подложками в соответствии с конфигурацией проводки, после чего поверхность соприкосновения обрабатывают небольшим количеством раствора мономеров. В итоге разрыв зарастает и полученная двойная ячейка становится полностью функциональной.


При использовании устройства в уличных условиях авторы столкнулись с проблемой нагревания холодного слоя генератора от Солнца. Его вклад оказался достаточно велик, чтобы повлиять на эффективность устройства. Для решения этой проблемы физики накрыли поверхность устройства полимерной пленкой, которая слабо поглощает солнечный свет и при этом не мешает рассеянию тепла самой поверхности. В итоге в солнечную погоду выходная мощность ненакрытого устройства колебалась около одного нановатта на квадратный сантиметр, а напряжение — около нулевого значения. Накрытое пленкой устройство показало существенно лучшие результаты: средняя мощность составила 10 нановатт на квадратный сантиметр, напряжение — 40 милливольт на квадратный сантиметр. При попадании в тень результаты ненакрытого устройства сравнялись с результатами накрытого.

Ученые научились использовать не только прямой термоэлектрический эффект, когда разница в температуре порождает электрический потенциал, но и обратный. Например, американские ученые недавно разработали термоэлектрический холодильник. Он охлаждается на 21 градус при подаче него электрического тока.

Егор Длин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.