PVDF-HFP/SWCNT radiation-modulated thermoelectric fibrous membranes enabling synergistic photothermal- thermoelectric conversion
تقدم هذه الدراسة أغشية ليفية من PVDF-HFP/SWCNT معدلة بالإشعاع تم تصنيعها عبر الغزل بالنفخ الهوائي الكهروستاتيكي، والتي تستفيد من شبكة SWCNT مترابطة وخصائص بصرية غير متماثلة لتحقيق تحويل ضوئي حراري-كهروحراري تآزري لحصاد الطاقة ذاتي التغذية دون تسخين خارجي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يتجه العالم نحو مستقبل لا تكون فيه ملابسنا وأجهزتنا مجرد أشياء نرتديها، بل أدوات تتفاعل مع بيئتنا. تخيل نسيجاً يمكنه استشعار اللمس أو التغير في درجة الحرارة، أو سترة تساعد في تشغيل مستشعر صغير دون الحاجة إلى بطارية ثقيلة. ولجعل هذا ممكناً، يبحث العلماء عن مواد تكون مرنة وقادرة في الوقت نفسه على تحويل الحرارة إلى كهرباء. تعتمد هذه العملية على ظاهرة فيزيائية حيث يؤدي وجود فرق في درجة الحرارة بين جانبي مادة ما إلى توليد جهد كهربائي. وبينما تُعد هذه الظاهرة معروفة جيداً، إلا أن استخدامها في الملابس اليومية كان أمراً صعباً؛ فالمواد التقليدية التي تولد الكهرباء من الحرارة عادة ما تكون عبارة عن كتل صلبة وثقيلة من المعدن أو السيراميك، وهي مواد لا يمكنها الانحناء مع جسم الإنسان. علاوة على على ذلك، تحتاج هذه المواد إلى تدفق مستمر للحرارة لكي تعمل، لكن الفروقات الطبيعية في درجات الحرارة التي نختبرها في حياتنا اليومية غالباً ما تكون صغيرة جداً لإنتاج طاقة مفيدة. لقد تمثل التحدي في ابتكار مادة تكون ناعمة بما يكفي لارتدائها، وقوية بما يكفي لتدوم، وذكية بما يكفي لالتقاط ضوء الشمس لخلق فرق حراري خاص بها.
لقذ طور فريق من الباحثين نوعاً جديداً من الأقمشة يعالج هذه العقبات من خلال دمج وظيفتين متمايزتين في ورقة واحدة مرنة. فقد صنعوا غشاءً مكوناً من بوليمر بلاستيكي متين وأنابيب كربون نانوية أحادية الجدار، وهي أشكال كربونية رقيقة للغاية تشبه الأنابيب. وكان مفتاح نجاحهم هو تقنية تصنيع متخصصة سمحت لهم ببناء المادة في طبقات دون إتلاف هيكلها. فبدلاً من خلط الأنابيب الكربونية النانوية مباشرة في المحلول البلاستيكي، وهو ما قد يجعل الخليط سميكاً جداً بحيث يصعب غزل الألياف، استخدموا طريقة تقوم بنفخ الأنابيب الكربونية النانوية على سطح الألياف البلاستيكية أثناء تشكلها. يضمن هذا النهج استقرار الأنابيب الكربونية النانوية على السطح الخارجي للألياف وعند النقاط التي تتقاطع فيها الألياف، مما يخلق شبكة مستمرة لتدفق الكهرباء مع الحفاظ على مرونة القماش.
النتيجة هي مادة عبارة عن ورقة ليفية سوداء تتميز بقوة مدهشة. فعند اختبارها، استطاعت أفضل نسخة من هذا الغشاء تحمل قوة شد بلغت 34.71 ميجاباسكال، مما يجعلها أقوى بكثير من النسخة البلاستيكية العادية. وفي الوقت ذاته، تقوم المادة بتوصيل الكهرباء بمعدل 46 سيمنز لكل متر، وهو مستوى أداء يسمح لها بالعمل كموصل فعال. ووجد الباحثون أن الأنابيب الكربونية النانوية لم تجعل القماش موصلاً فحسب، بل غيرت أيضاً كيفية تفاعل المادة مع الضوء؛ فالألياف البلاستيكية العادية عاكسة للغاية، حيث تعكس معظم ضوء الشمس بعيداً، بينما تمتاز الأنابيب الكربونية النانوية بقدرة فائلة على امتصاص ضوء الشمس نفسه وتحويله إلى حرارة. ومن خلال ترتيب هاتين الصفتين بطريقة محددة، استطاع الفريق إنشاء نظام يمكنه توليد فرق درجات الحرارة الخاص به.
وفي تجاربهم، وضع الباحثون الغشاء على سطح يساعد في سحب الحرارة بعيداً، وعرض جانباً واحداً منه فقط لضوء شمس محاكى. ولأن الجانب المعرض للضوء امتص الضوء وسخن، بينما ظل الجانب المغطى أكثر برودة، نشأ فرق في درجات الحرارة يبلغ حوالي 10 درجات مئوية عبر سطح القماش. وكان فرق درجات الحرارة الذي صنع نفسه هذا كافياً لتفعيل التأثير الكهروحراري، مما أدى إلى توليد جهد كهربائي ثابت. وفي ظل هذه الظروف، أنتج الغشاء طاقة مخرجة بلغت 11.25 بيكوات لكل سنتيمتر مربع عندما كان فرق درجات الحرارة 20 درجة. وقد أثبت النظام استقراره، حيث حافظ على إنتاجه للطاقة بمرور الوقت واستجاب بشكل موثوق في كل مرة يتم فيها تشغيل الضوء وإطفاؤه. يوضح هذا العمل أنه من الممكن دمج القدرة على حصاد الطاقة الشمسية وتحويلها إلى كهرباء داخل نسيج مرن واحد، مما يفتح مساراً جديداً نحو إلكترونيات قابلة للارتداء ذاتية التغذية لا تتطلب مصادر تسخين خارجية أو مكونات صلبة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.