PVDF-HFP/SWCNT radiation-modulated thermoelectric fibrous membranes enabling synergistic photothermal- thermoelectric conversion
Deze studie presenteert stralingsgemoduleerde PVDF-HFP/SWCNT-vezelige membranen vervaardigd via elektrostatisch luchtblaas-spinnen, die een onderling verbonden SWCNT-netwerk en asymmetrische optische eigenschappen benutten om synergetische fotothermische-thermo-elektrische conversie te bereiken voor zelfvoorzienende energieopwinning zonder externe verwarming.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
De wereld beweegt zich naar een toekomst waarin onze kleding en apparaten niet alleen dingen zijn die we dragen, maar hulpmiddelen die interageren met onze omgeving. Stel je een stof voor die een aanraking of een verandering in temperatuur kan voelen, of een jas die een kleine sensor van stroom kan voorzien zonder dat daar een zware batterij voor nodig is. Om dit mogelijk te maken, zoeken wetenschappers naar materialen die zowel flexibel als in staat zijn om warmte in elektriciteit om te zetten. Dit proces berust op een fysisch fenomeen waarbij een temperatuurverschil tussen twee zijden van een materiaal een elektrische spanning creëert. Hoewel dit effect goed bekend is, is het gebruik ervan in alledaagse kleding moeilijk gebleken. Traditionele materialen die elektriciteit genereren uit warmte zijn meestal stijve, zware blokken metaal of keramiek, die niet kunnen meebuigen met het menselijk lichaam. Bovendien hebben deze materialen een constante warmtestroom nodig om te werken, maar de natuurlijke temperatuurverschillen die we in het dagelijs leven ervaren zijn vaak te klein om bruikbare energie op te wekken. De uitdaging is geweest om een materiaal te creëren dat zacht genoeg is om te dragen, sterk genoeg is om lang mee te gaan, en slim genoeg is om zonlicht op te vangen om zijn eigen temperatuurverschil te creëren.
Een team van onderzoekers heeft een nieuw type stof ontwikkeld die deze hindernissen wegneemt door twee verschillende functies te combineren in één enkele, flexibele laag. Ze creëerden een membraan gemaakt van een duurzaam kunststof polymeer en enkelwandige koolstofnanobuisjes, die ongelooflijk dunne, buisvormige vormen van koolstof zijn. De sleutel tot hun succes was een gespecialiseerde productietechniek waarmee ze het materiaal in lagen konden opbouwen zonder de structuur te beschadigen. In plaats van de koolstofnanobuisjes direct in de kunststofoplossing te mengen, wat de mengeling te dik zou maken om tot vezels te spinnen, gebruikten ze een methode waarbij de koolstofnanobuisjes op het oppervlak van de kunststofvezels worden geblazen terwijl deze worden gevormd. Deze aanpak zorgt ervoor dat de koolstofnanobuisjes op de buitenkant van de vezels en op de punten waar de vezels elkaar kruisen terechtkomen, waardoor er een continu netwerk ontstaat waar elektriciteit doorheen kan stromen, terwijl de stof flexibel blijft.
Het resulterende materiaal is een zwart, vezelig vel dat verrassend sterk is. Bij tests kon de beste versie van dit membraan een trekkracht van 34,71 megapascal weerstaan, wat het aanzienlijk taaier maakt dan de gewone kunststofversie. Tegelijkertijd geleidt het elektriciteit met een snelheid van 46 siemens per meter, een prestatieniveau dat het in staat stelt om als een effectieve geleider te fungen. De onderzoekers ontdekten dat de koolstofnanobuisjes de stof niet alleen geleidend maakten, maar ook de manier waarop het materiaal met licht interageert veranderden. De gewone kunststofvezels zijn zeer reflecterend en kaatsen het meeste zonlicht weg, terwijl de koolstofnanobuisjes juist uitstekend in staat zijn om datzelfde zonlicht te absorberen en in warmte om te zetten. Door deze twee eigenschappen op een specifieke manier te ordenen, creëerde het team een systeem dat zijn eigen temperatuurverschil kan genereren.
In hun experimenten plaatsten de onderzoekers het membraan op een oppervlak dat warmte hielp af te voeren en stelden ze slechts één zijde bloot aan gesimuleerd zonlicht. Omdat de blootgestelde zijde het licht absorbeerde en opwarmde, terwijl de afgedekte zijde koeler bleef, ontstond er een temperatuurverschil van ongeveer 10 graden Celsius over het oppervlak van de stof. Dit zelfgemaakte temperatuurverschil was voldoende om het thermo-elektrische effect te triggeren, waardoor het materiaal een constante elektrische spanning genereerde. Onder deze omstandigheden produceerde het membraan een vermogen van 11,25 picowatt per vierkante centimeter bij een temperatuurverschil van 20 graden. Het systeem bleek stabiel; het behield zijn vermogensoutput over een langere periode en reageerde betrouwbaar telkens wanneer het licht aan- of uitging. Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om het vermogen om zonne-energie te oogsten en om te zetten in elektriciteit te integreren binnen een enkele, flexibele textiel, wat een nieuwe weg biedt naar zelfvoorzienende draagbare elektronica die geen externe warmtebronnen of rigide componenten vereist.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.