PVDF-HFP/SWCNT radiation-modulated thermoelectric fibrous membranes enabling synergistic photothermal- thermoelectric conversion

Resumen Técnico: Membranas Fibrosas Termoeléctricas Moduladas por Radiación de PVDF-HFP/SWCNT

Planteamiento del Problema
El desarrollo de materiales termoeléctricos flexibles para la electrónica ponible (wearable) enfrenta dos desafíos primarios: equilibrar la alta conductividad eléctrica con la flexibilidad mecánica, y establecer gradientes de temperatura efectivos en entornos abiertos o ponibles. Los materiales termoeléctricos tradicionales son típicamente rígidos, lo que impide cumplir con los requisitos de ligereza y flexibilidad de los textiles. Además, aunque los sustratos poliméricos flexibles ofrecen ventajas mecánicas, su naturaleza aislante inherente dificulta la construcción de redes conductoras continuas necesarias para un transporte eficiente de portadores. Adicionalmente, la producción termoeléctrica depende de diferencias de temperatura sostenidas, las cuales a menudo se ven limitadas en entornos naturales de uso corporal, restringiendo la generación continua de energía. Las estrategias existentes suelen tener dificultades para lograr simultáneamente redes conductoras continuas, absorción solar eficiente y regulación estable del gradiente de temperatura dentro de un solo material fibroso flexible.

Metodología
Para abordar estos desafíos, los autores desarrollaron una estrategia sinérgica de hilado por soplido de aire electrostático que combina el electrohilado con el pulverizado por aspersión de aire de solución. Este enfoque se utilizó para construir membranas termoeléctricas de poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno)/nanotubos de carbono de pared simple (PVDF-HFP/SWCNT).

• Proceso de Fabricación: Se utilizó electrohilado para formar un armazón nanofibroso poroso tridimensional continuo de una solución de PVDF-HFP. Simultáneamente, se depositó una dispersión de SWCNTs sobre la red fibrosa mediante la atomización asistida por aire. Esto desacopló la formación del esqueleto polimérico de la deposición de nanomateriales conductores.
• Optimización de Muestras: Al variar la tasa de alimentación de la dispersión de SWCNT (0.5, 2, 3 y 4 mL h⁻¹), se produjeron una serie de membranas compuestas (PVDF-HFP/SWCNT-0.5 a -4) para investigar sistemáticamente los efectos de la carga de SWCNT en la microestructura, la resistencia mecánica, la conductividad eléctrica y el rendimiento termoeléctrico.
• Diseño Modulado por Radiación: Para generar un gradiente de temperatura sin calentamiento externo, se diseñó una estructura fototérmica asimétrica. Esta utilizó las propiedades ópticas contrastantes de los componentes: los SWCNTs proporcionaron una fuerte absorción solar y conversión fototérmica, mientras que la matriz de PVDF-HFP exhibió una alta reflectancia solar. Al cubrir un lado de la membrana con una capa reflectante de PVDF-HFP y exponer el otro a luz solar simulada, se estableció un gradiente de temperatura en el plano.

Contribuciones Clave y Resultados

• Ventajas Microestructurales: La estrategia de hilado por soplido de aire electrostático resultó en la deposición preferencial de los SWCNTs en las superficies y uniones de las fibras. Esto creó una red conductora interconectada sin interrumpir significativamente el esqueleto polimérico flexible o las propiedades reológicas de la solución durante el hilado.
• Propiedades Mecánicas y Eléctricas:
  • Las membranas optimizadas demostraron un refuerzo mecánico significativo. La muestra PVDF-HFP/SWCNT-2 logró una resistencia a la tracción de 34.71 MPa (un aumento de aproximadamente 12.2 veces respecto al PVDF-HFP prístino) y un módulo elástico de 992 MPa, aunque el alargamiento a la rotura disminuyó.
  • La conductividad eléctrica aumentó con la carga de SWCNT, alcanzando un máximo de 46 S m⁻¹ para la muestra PVDF-HFP/SWCNT-4. El material exhibió un comportamiento semiconductor típico, con una conductividad que aumenta en el rango de temperatura de 280–320 K.
• Rendimiento Termoeléctrico:
  • La membrana PVDF-HFP/SWCNT-3 fue identificada como el equilibrio óptimo de propiedades. Exhibió un coeficiente Seebeck de 42.3 μV K⁻¹.
  • Con una diferencia de temperatura de 20 K, la membrana alcanzó una densidad de potencia de salida de 11.25 pW cm⁻².
  • Las simulaciones de COMSOL confirmaron el establecimiento de una distribución de potencial eléctrico estable impulsada por el gradiente de temperatura.
• Sinergia Fototérmica-Termoeléctrica:
  • Bajo una irradiación de 1 sol, el diseño asimétrico generó una diferencia de temperatura en el plano de aproximadamente 10 °C (36 °C en el lado expuesto frente a 26 °C en el lado cubierto).
  • Este gradiente autoestable permitió la generación de energía termoeléctrica estable sin dispositivos de calentamiento externos. El sistema demostró respuestas de voltaje de salida reproducibles durante ciclos repetidos de iluminación encendido/apagado, confirmando una excelente estabilidad operativa y reversibilidad.

Significancia
El artículo afirma que este trabajo proporciona una estrategia estructural para integrar la conversión fototérmica y termoeléctrica dentro de materiales fibrosos flexibles. Al aprovechar el contraste óptico específico entre los SWCNTs y el PVDF-HFP, el estudio demuestra una vía viable para la recolección de energía impulsada por energía solar en aplicaciones de electrónica ponible flexible. La técnica de hilado por soplido de aire electrostático ofrece una solución al compromiso entre la construcción de redes conductoras eficientes y el mantenimiento de la flexibilidad mecánica de las estructuras fibrosas. Los autores concluyen que este enfoque permite la integración funcional de la captura de luz solar, la conversión fototérmica, la construcción del gradiente de temperatura y la salida termoeléctrica en una sola membrana, ofreciendo una referencia para el diseño de futuros materiales de conversión de energía flexibles.