PVDF-HFP/SWCNT radiation-modulated thermoelectric fibrous membranes enabling synergistic photothermal- thermoelectric conversion
Questo studio presenta membrane fibrose di PVDF-HFP/SWCNT modulate dalla radiazione e fabbricate tramite elettrospinning ad aria soffiata, che sfruttano una rete interconnessa di SWCNT e proprietà ottiche asimmetriche per ottenere una conversione fototermica-termoelettrica sinergica per l'estrazione di energia autoalimentata senza riscaldamento esterno.
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Il mondo si sta muovendo verso un futuro in cui i nostri abiti e i nostri dispositivi non sono solo oggetti che indossiamo, ma strumenti che interagiscono con il nostro ambiente. Immaginate un tessuto capace di percepire un tocco o una variazione di temperatura, o una giacca che aiuti ad alimentare un piccolo sensore senza la necessità di una pesante batteria. Per rendere possibile tutto ciò, gli scienziati stanno cercando materiali che siano sia flessibili sia capaci di trasformare il calore in elettricità. Questo processo si basa su un fenomeno fisico in cui una differenza di temperatura tra due lati di un materiale crea una tensione elettrica. Sebbene questo effetto sia ben noto, utilizzarlo nell'abbigliamento quotidiano è stato difficile. I materiali tradizionali che generano elettricità dal calore sono solitamente blocchi rigidi e pesanti di metallo o ceramica, che non possono piegarsi con il corpo umano. Inoltre, questi materiali necessitano di un flusso costante di calore per funzionare, ma le differenze di temperatura naturali che sperimentiamo nella vita quotidiana sono spesso troppo piccole per produrre energia utile. La sfida è stata quella di creare un materiale che fosse abbastanza morbido da essere indossato, abbastanza resistente da durare e abbastanza intelligente da catturare la luce solare per creare la propria differenza di calore.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo tipo di tessuto che affronta questi ostacoli combinando due funzioni distinte in un unico foglio flessibile. Hanno creato una membrana composta da un polimero plastico durevole e nanotubi di carbonio a parete singola, che sono forme di carbonio incredibilmente sottili e tubolari. La chiave del loro successo è stata una tecnica di produzione specializzata che ha permesso di costruire il materiale in strati senza rovinarne la struttura. Invece di mescolare direttamente i nanotubi di carbonio nella soluzione plastica, il che può rendere la miscela troppo densa per essere filata in fibre, hanno utilizzato un metodo che soffia i nanotubi di carbonio sulla superficie delle fibre plastiche mentre queste vengono formate. Questo approccio assicura che i nanotubi di carbonio si depositino sulla parte esterna delle fibre e nei punti in cui le fibre si incrociano, creando una rete continua per il flusso di elettricità pur mantenendo la flessibilità del tessuto.
Il materiale risultante è un foglio fibroso nero che è sorprendentemente resistente. Durante i test, la versione migliore di questa membrana è stata in grado di resistere a una forza di trazione di 34,71 megapascal, rendendola significativamente più robusta della versione in sola plastica. Allo stesso tempo, conduce elettricità a una velocità di 46 siemens per metro, un livello di prestazione che le permette di funzionare come un conduttore efficace. I ricercatori hanno scoperto che i nanotubi di carbonio non hanno reso il tessuto solo conduttivo, ma hanno anche cambiato il modo in cui il materiale interagisce con la luce. Le fibre plastiche semplici sono altamente riflettenti, poiché respingono la maggior parte della luce solare, mentre i nanotubi di carbonio sono eccellenti nell'assorbire quella stessa luce solare e trasformarla in calore. Organizzando queste due proprietà in un modo specifico, il team ha creato un sistema in grado di generare la propria differenza di temperatura.
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno posizionato la membrana su una superficie che aiutasse a sottrarre calore ed hanno esposto solo un lato di essa a luce solare simulata. Poiché il lato esposto assorbiva la luce e si riscaldava, mentre il lato coperto rimaneva più freddo, attraverso la superficie del tessuto si è creata una differenza di temperatura di circa 10 gradi Celsius. Questa differenza di temperatura auto-generata è stata sufficiente a innescare l'effetto termoelettrico, facendo sì che il materiale generasse una tensione elettrica costante. In queste condizioni, la membrana ha prodotto una potenza di 11,25 picowatt per centimetto quadrato quando la differenza di temperatura era di 20 gradi. Il sistema si è dimostrato stabile, mantenendo la sua produzione di energia nel tempo e rispondendo in modo affidabile ogni volta che la luce veniva accesa e spenta. Questo lavoro dimostra che è possibile integrare la capacità di raccogliere l'energia solare e convertirla in elettricità all'interno di un singolo tessuto flessibile, offrendo una nuova strada verso l'elettronica indossabile autoalimentata che non richiede fonti di calore esterne o componenti rigidi.
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