Electrical Performance of Cement Nanofiller Composites for Low-Grade Thermoelectric Energy Harvesting

Le città sono spesso più calde delle campagne circostanti, un fenomeno noto come effetto isola di calore urbana. Ciò accade perché il cemento, l'asfalto e gli edifici assorbono la luce solare e trattengono il calore, rilasciandolo lentamente anche dopo il tramonto. Sebbene questo calore intrappolato sia spesso visto come un fastidio che fa aumentare i costi energetici per l'aria condizionata, esso rappresenta anche un vasto, inespresso serbatoio di energia a bassa temperatura. Immaginate un marciapiede o una parete di un edificio che possano non solo immagazzinare questo calore, ma anche convertirlo in elettricità. Questa è la promessa della tecnologia termoelettrica, un metodo che genera energia semplicemente sfruttando la differenza di temperatura tra due lati di un materiale. Affinché ciò funzioni su larga scala, il materiale stesso deve essere in grado di condurre bene l'elettricità, una caratteristica di cui il comune cemento è privo.

I ricercatori sanno da tempo che l'aggiunta di materiali a base di carbonio al cemento può renderlo conduttivo, ma trovare il giusto equilibrio tra costo, disponibilità e prestazioni rimane una sfida. Un team di scienziati in India ha recentemente intrapreso l'obiettivo di testare una fonte di carbonio umile e spesso trascurata: la fuliggine delle candele. Volevano vedere se questo scarto domestico potesse essere trasformato in un additivo ad alte prestazioni per il cemento, competendo con materiali costosi e commercialmente ingegnerizzati come il grafene e i nanotubi di carbonio. Il loro obiettivo era creare un composito di cemento capace di raccogliere il calore residuo dalle superfici urbane e trasformarlo in elettricità utilizzabile, rendendo potenzialmente le nostre strade e i nostri edifici dei generatori di energia silenziosi.

I ricercatori hanno iniziato raccogliendo la fuliggine nera che si forma quando una candela brucia. Non si sono limitati a raschiarla da un piatto; hanno sviluppato un processo accurato per pulirla e raffinarla. Lavando la fuliggine con alcol e facendola ruotare ad alta velocità per separare le particelle più fini, hanno creato una forma purificata di nanoparticelle di carbonio. Hanno poi mescolato questo materiale derivato dalla fuliggine in una pasta di cemento, insieme ad altri due tipi di cariche di carbonio: il grafene di alta qualità, composto da singoli strati di atomi di carbonio, e i nanotubi di carbonio a parete multipla, che sono minuscoli cilindri cavi di carbonio. Hanno preparato campioni con quantità variabili di ciascun additivo, mantenendo costante la quantità di acqua e di cemento per garantire un confronto equo.

Una volta colati e asciugati i campioni, il team li ha esaminati attentamente per capire come si comportavano i diversi materiali all'interno del cemento. Utilizzando potenti microscopi, hanno osservato che le particelle di fuliggine di candela erano sferiche e ricche di piccole imperfezioni, conferendo loro una consistenza ruvida. Mescolate nel cemento, queste particelle hanno riempito i piccoli spazi e i pori all'interno del materiale indurito, creando una struttura più densa. Le immagini hanno mostrato che le particelle di fuliggine si distribuivano uniformemente, formando una rete che si connetteva con il gel legante naturale del cemento. Questa è stata una scoperta cruciale, poiché una rete continua è necessaria affinché l'elettricità possa fluire attraverso il materiale.

Il team ha poi misurato quanto bene ogni campione conducesse l'elettricità a diverse temperature. Hanno scoperto che la quantità di additivo inserito faceva una differenza significativa. Per i campioni contenenti il costoso grafene, la conducibilità elettrica raggiunse 0,07 S/cm quando l'additivo costituiva il due percento del peso del cemento a 60°C. I campioni con nanotubi di carbonio richiedevano una dose molto più alta, il quindici percento, per raggiungere una conducibilità di 0,25 S/cm a 60°C. Tuttavia, i campioni realizzati con le nanoparticelle di fuliggine di candela mostrarono una storia diversa. Con una dose del cinque percento, il composito a base di fuliggine conduceva elettricità a 0,03 S/cm a 85°C. I ricercatori hanno notato che la conducibilità di tutti questi materiali migliorava all'aumentare della temperatura, che è esattamente ciò di cui c'è bisogno per raccogliere il calore dai marciapiedi caldi.

Lo studio ha rivelato che il meccanismo alla base di questa conducibilità prevede che gli elettroni saltino attraverso minuscole lacune tra le particelle o vi passino attraverso per effetto tunnel, un processo che diventa più facile quando le particelle sono impacchettate strettamente. La fuliggine di candela, nonostante sia un semplice sottoprodotto della combustione, si è dimostrata un candidato valido per la creazione di percorsi conduttivi. Sebbene non abbia superato i nanotubi di alta gamma in termini di conducibilità pura alle dosi testate, il suo potenziale risiede nella sua accessibilità e nel fatto che sia un prodotto di scarto. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile trasformare un comune inquinante domestico in un componente funzionale per le infrastrutture intelligenti.

In definitiva, il lavoro suggerisce che i compositi di cemento possono essere progettati per raccogliere l'energia termica a bassa temperatura, a condizione che venga stabilita la giusta rete conduttiva. Le nanoparticelle di fuliggine di candela hanno offerto un'alternativa unica e a basso costo che si è integrata con successo nella matrice del cemento, formando una microstruttura più densa e consentendo il flusso elettrico. Sebbene la tecnologia sia ancora in fase sperimentale e affronti sfide riguardanti l'efficienza e l'implementazione su larga scala, lo studio fornisce una chiara prova di concetto. Dimostra che i materiali che ci circondano nelle nostre città, dal cemento sotto i nostri piedi agli scarti che generiamo, potrebbero un giorno far parte di un sistema che trasforma silenziosamente il calore del sole in elettricità.