الاستومر ترموالکتریک کشسان برای برداشت انرژی از حرارت بدن

الاستومر ترموالکتریک کشسان برای برداشت انرژی از حرارت بدن

0 نظرات نگار بابایی

6 دقیقه

پژوهشگرانی به سرپرستی دانشگاه پکن گزارشی از یک مادهٔ ترموالکتریک کشسان و شبیه لاستیک منتشر کرده‌اند که تفاوت دمای بین پوست انسان و هوای محیط را به توان الکتریکی تبدیل می‌کند. این کار که در نشریه Nature منتشر شده، یک الاستومر ترموالکتریک نوع n را نشان می‌دهد که کشسانی بالا را با عملکرد الکتریکی بهبود‌یافته ترکیب می‌کند و مسیرهایی را برای حسگرهای پوشیدنی خودتأمین، پچ‌های پایش سلامت و احتمالاً دستگاه‌های قابل کاشت که از گرمای بدن انرژی می‌گیرند، باز می‌کند.

چگونه ماده برق تولید می‌کند

دستگاه بر پایهٔ اصل ترموالکتریسیته کار می‌کند: گرادیان دما جریان حامل‌های بار را ایجاد کرده و در نتیجه جریان الکتریکی تولید می‌شود. به زبان ساده، بدن انسان با دمای حدود 37°C نسبت به هوای اطراف (معمولاً 20–30°C) سطح گرمتری دارد. وقتی الاستومر روی پوست قرار می‌گیرد، اختلاف دمای مداوم پوست و هوا موجب تولید پیوستهٔ برق بدون قطعات متحرک می‌شود.

تبدیل ترموالکتریک به سه ویژگی ماده بستگی دارد: ضریب سبِک (Seebeck) (ولتاژ به ازای واحد تفاوت دما)، هدایت الکتریکی و هدایت حرارتی. تیم دانشگاه پکن یک کامپوزیت پلیمری کشسان طراحی کردند که انتقال الکترونیکی مطلوب را حفظ کرده و در عین حال هدایت حرارتی پایین و سازگاری مکانیکی عالی را داراست — ترکیبی نادر که از اختلاف دماهای کوچک متداول روی بدن انسان توان مفیدی استخراج می‌کند.

مهندسی مواد و نوآوری‌های کلیدی

پیشرفت محوری در این کار توسعهٔ یک الاستومر ترموالکتریک نوع n است که در حین تغییر شکل مکانیکی رسانا باقی می‌ماند. به‌طور تاریخی، ساختن موادی که هم بسیار قابل کشش و هم هادی الکتریکی باشند چالشی بزرگ بوده است: پرکننده‌های هادی یا فازهای سخت اغلب توان بازگشت الاستیکی را کاهش می‌دهند، در حالی که پلیمرهای نرم معمولاً عملکرد الکترونیکی کافی ندارند.

تیم تحقیقاتی این موضوع را از طریق معماری کامپوزیت پلیمری و دوپینگ مولکولی هدفمند حل کردند. آن‌ها مقادیر اندکی از دوپانت N-DMBI (N,N'-dimethylbenzimidazoline) را اضافه کردند تا چگالی حامل و هدایت الکتریکی را بدون شکننده کردن ماتریس افزایش دهند. الاستومر دوپ‌شده در مقایسه با نمونه‌های بدون دوپانت بهبودهای چشمگیری در عملکرد تولید توان نشان می‌دهد و در عین حال رفتار لاستیکی را حفظ می‌کند.

عملکرد مکانیکی

از لحاظ مکانیکی، کامپوزیت پس از کشیده شدن تا تقریباً 150% از طول اولیهٔ خود شکل اصلی‌اش را بازیابی می‌کند و در آزمایشگاه قادر به تحمل کرنش‌های شدید گزارش‌شده بالای 850% است. چنین مقاومت و بازیابی‌ای به این معنی است که دستگاه‌های ساخته‌شده از این ماده می‌توانند به‌طور محکم با سطوح منحنی یا متحرک بدن — مچ، قفسهٔ سینه یا لباس — هم‌قواره شده و تماس حرارتی و برداشت انرژی قابل اعتماد را در هنگام حرکت فرد حفظ کنند.

برنامه‌های کاربردی بالقوه و پیامدها

با امکان برداشت پیوستهٔ انرژی از پوست، این الاستومرهای ترموالکتریک می‌توانند نیاز به باتری‌های حجیم را در بسیاری از دستگاه‌های کم‌مصرف کوچک کاهش داده یا حذف کنند. کاربردهای فوری شامل پایشگرهای سلامت پوشیدنی، ردیاب‌های تناسب اندام و حسگرهای محیطی است که به صورت پچ یا ماژول‌های یکپارچه با پوشاک عمل می‌کنند. برای استفاده‌های پزشکی، پچ‌های پایش قلبی یا متابولیک خودتأمین می‌توانند برای دوره‌های طولانی بدون نیاز به شارژ کار کنند.

چشم‌انداز بلندمدت شامل الکترونیک‌های قابل کاشت است که از گرمای متابولیک برای تأمین انرژی دستگاه‌های کم‌مصرف استفاده می‌کنند و همچنین حسگرهای توزیع‌شدهٔ اینترنت اشیاء (IoT) که به‌صورت بدون‌نگهداری در پوشاک یا روی پوست کار می‌کنند. با این حال، تبدیل این فناوری به محصول نیازمند کار بیشتر روی پایداری، زیست‌سازگاری، خروجی توان پایدار در شرایط واقعی و تولید مقیاس‌پذیر است.

جزئیات آزمایش و معیارهای عملکرد

مقالهٔ Nature مراحل ساخت، مشخصه‌یابی الکتریکی و مکانیکی و نمایش نمونه‌های اولیه را توصیف می‌کند. معیارهای کلیدی عملکرد گزارش‌شده شامل پاسخ ضریب Seebeck ماده، هدایت الکتریکی پس از دوپینگ با N-DMBI و توان خروجی تحت گرادیان‌های دما نمایندهٔ پوست-به-هوا است. مطالعه همچنین چرخه‌های تکراری کشش و بازیابی را برای ارزیابی دوام تحت شرایط مرتبط با پوشیدنی‌ها مستندسازی می‌کند.

دیدگاه کارشناسی

دکتر مایا سینگ، مهندس مواد که روی سیستم‌های انرژی قابل انعطاف تحقیق می‌کند، اظهار داشت: "این مطالعه به یک مصالحهٔ پایدار در الکترونیک نرم می‌پردازد: ترکیب عملکرد الکتریکی بالا با کشسانی شدید. استفادهٔ هدفمند از دوپانت‌های مولکولی مانند N-DMBI، همراه با یک شبکهٔ پلیمری سازگار، مسیری عملی به سوی ترموالکتریک‌های پوشیدنی در دنیای واقعی است. گام‌های بعدی شامل پایداری بلندمدت، پوشش‌دهی برای محافظت در برابر عرق و حرکت و یکپارچه‌سازی با حسگرها و مدارهای مدیریت توان کم‌مصرف خواهد بود."

فناوری‌های مرتبط و چشم‌انداز آینده

الاستومرهای ترموالکتریک مکمل رویکردهای دیگر برداشت انرژی برای پوشیدنی‌ها هستند، مانند ژنراتورهای پیزوالکتریک (برداشت انرژی از حرکت)، پارچه‌های فوتوولتائیک (برداشت نور) و پیل‌های سوختی بیوشیمیایی (برداشت متابولیت‌های عرق). سیستم‌های هیبریدی که چندین روش برداشت را ترکیب می‌کنند می‌توانند قابلیت اطمینان و بودجهٔ توان کلی را افزایش دهند. برای پذیرش تجاری، مهندسان باید فرم فاکتور دستگاه‌ها، تطابق امپدانس و استراتژی‌های ذخیرهٔ انرژی (خازن‌های کوچک یا باتری‌های نازک) را برای هموارسازی خروجی توان متغیر بهینه کنند.

نتیجه‌گیری

مطالعهٔ هدایت‌شده توسط دانشگاه پکن یک پیشرفت مهم در مواد به‌سوی الکترونیک‌های پوشیدنی خودتأمین را نمایان می‌سازد. با نشان دادن یک الاستومر ترموالکتریک نوع n که در کرنش‌های بزرگ رسانایی خود را حفظ می‌کند و از دوپینگ مولکولی بهره می‌برد، این کار نشان می‌دهد چگونه می‌توان از گرمای بدن به طور پیوسته در فرم‌فکتوری منعطف و منطبق با پوست برداشت کرد. پیشرفت‌های مستمر در پایداری، یکپارچه‌سازی و تولید تعیین‌کنندهٔ سرعت تبدیل این فناوری از نمونه‌های آزمایشگاهی به پایشگرهای سلامت روزمره، پوشاک و سیستم‌های قابل کاشتی خواهد بود که دیگر به شارژ مکرر وابسته نیستند.

منبع: techxplore

من نگارم، عاشق آسمون و کشف ناشناخته‌ها! اگر مثل من از دیدن تلسکوپ و کهکشان‌ها ذوق‌زده می‌شی، مطالب من رو از دست نده!

نظرات

ارسال نظر

مطالب مرتبط