کاغذ ترموالکتریک پایدار و قابل بازیافت

خلاصه:

محققان یک مفهوم جدید از مواد ترموالکتریک ایجاد کرده‌اند. این دستگاه از سلولزی ساخته شده است که توسط باکتری‌ها در محل آزمایشگاه تولید می‌شود، با مقادیر کمی از نانو مواد رسانا، نانولوله های کربن، و با استفاده از یک استراتژی پایدار و سازگار با محیط زیست.

تعداد کلمات: 1015  /  تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه  
 

 

مترجم: علی رضایی میر قائد

توضیح تصویر: یک محقق از ICMAB-CSIC نمونه‌ای از سلولز ترموالکتریک جدید تولید شده توسط باکتری را نگه داشته است.

مواد ترموالکتریک، که قادر به تبدیل گرما به برق هستند، در تبدیل گرمای باقی مانده به انرژی الکتریکی بسیار امیدوار کننده هستند، زیرا آنها به ما اجازه می‌دهند که از انرژی حرارتی کم مصرف یا تقریبا از دست رفته در یک روش کارآمد استفاده کنیم.محققان موسسه علوم مواد در بارسلونا (ICMAB-CSIC) یک مفهوم جدید از مواد ترموالکتریک ایجاد کرده‌اند که در مجله Energy & Environmental Science منتشر شده است. این دستگاه از سلولزی ساخته شده است که توسط باکتری‌ها در محل آزمایشگاه تولید می‌شود، با مقادیر کمی از نانو مواد رسانا، نانولوله‌های کربن، و با استفاده از یک استراتژی پایدار و سازگار با محیط زیست.
 
Mariano Campoy-Quiles، که پژوهشگری در این مطالعه است توضیح می‌دهد: "به جای ساخت ماده‌ای برای انرژی، ما آن را کشت می‌کنیم". Campoy-Quiles ادامه می‌دهد: "باکتری‌هایی که در یک محیط کشت آبی که حاوی شکر و نانولوله‌های کربنی هستند پراکنده می‌شوند، فیبرهای نانو سلولز تولید می‌کنند که در نتیجه نانو لوله‌های کربنی را تشکیل می‌دهند".
 
آنا لاروماین، محقق این مطالعه می‌گوید: "ما به لطف الیاف سلولز و با هدایت الکتریکی بالا، به لطف نانو لوله‌های کربن، یک ماده مکانیکی مقاوم، انعطاف پذیر و تغییر شکل پذیر را به دست می‌آوریم." آنا روج، پژوهشگر این مطالعه توضیح می دهد: "هدف این است که، با استفاده از مواد پایدار که برای محیط زیست سمی نیستند، که در مقادیر کم مورد استفاده قرار می‌گیرند و می‌توان آنها را بازیافت و استفاده مجدد کرد، به مفهوم اقتصاد دایره‌ای نزدیک شویم." او اضافه کرد: "دستگاه با مواد پایدار و قابل بازیافت و با ارزش افزوده بالا ساخته شده است. "
 
Roig ادعا می‌کند که در مقایسه با سایر مواد مشابه، "این یکی دارای پایداری حرارتی بالاتری نسبت به دیگر مواد ترموالکتریک بر پایه پلیمرهای مصنوعی است که اجازه می‌دهد دمای آن تا 250 درجه سانتی گراد برسد. علاوه بر این دستگاه از عناصر سمی استفاده نمی‌کند و سلولز می‌تواند به راحتی بازیافت شود، زیرا می‌تواند توسط فرآیند آنزیمی تبدیل شود، که آن را به گلوکز تبدیل می‌کند، و این در حالی است که نانولوله‌های کربنی بازیابی می‌شود که گران‌ترین عنصر دستگاه است." علاوه بر این، ضخامت، رنگ و شفافیت مواد را می‌توان کنترل کرد.
 
کمپویو کویلز توضیح می‌دهد که نانو لوله‌های کربنی به خاطر ابعادشان انتخاب شده‌اند: "به لطف قطر نانو ابعاد آنها و طول چند میکرونی آنها، نانو لوله‌های کربنی با کمترین مقدار (در بعضی موارد تا 1٪) اجازه می‌دهند تا نفوذ الکتریکی، یعنی یک مسیر مداوم که در آن بارهای الکتریکی می‌توانند از طریق ماده عبور کنند، به دست آید و به این ترتیب باعث می‌شوند که سلولز رسانا باشد." کمپویو کویلز اضافه می‌کند: "علاوه بر این، استفاده از چنین مقدار کمی از نانولوله‌ها (تا حداکثر 10٪)، در حالی که با آن بازده کلی ماده‌ای که حاوی 100٪ است حفظ می‌شود، باعث می‌شود که این فرآیند بسیار اقتصادی و کارآمد باشد". از سوی دیگر، ابعاد نانولوله‌های کربنی شبیه به نانوفیبرهای سلولزی است، و این منجر به پراکندگی همگن می‌شود. علاوه بر این، ورود این نانومواد تاثیر مثبتی بر خواص مکانیکی سلولز دارد و باعث می‌شود که حتی تغییر شکل پذیری، قابلیت انعطاف و مقاومت بیشتری داشته باشد.
 
این دستگاه‌ها می‌توانند برای تولید برق از گرمای باقی مانده برای تحریک حسگر در زمینه اینترنت اشیاء، کشاورزی یا صنعت  استفاده شوند. Campoy-Quiles  توضیح می‌دهد: "در آینده‌ای نزدیک، به عنوان مثال می‌توان آنها را به عنوان دستگاه‌های پوشیدنی در برنامه‌های پزشکی یا ورزشی مورد استفاده قرار داد. اگر کارایی دستگاه حتی بیشتر بهینه سازی شده باشد، این ماده می تواند به عایق‌های هوشمند حرارتی یا سیستم‌های قدرت هیبریدی فتوولتائیک - ترموالکتریک منجر شود". علاوه بر این، "به علت انعطاف پذیری بالای سلولز و مقیاس پذیری روند، این دستگاه‌ها می‌توانند در برنامه‌های کاربردی‌ای استفاده شوند که در آن منبع حرارت باقی مانده دارای اشکال غیر معمول یا مناطق وسیعی است، زیرا این منابع می‌توانند به طور کامل با این مواد پوشش داده شوند" .

از آنجایی که سلولز باکتری می‌تواند در خانه تولید شود، شاید ما با اولین قدم به سوی یک پارادایم انرژی جدید روبرو هستیم، که کاربران می‌توانند ژنراتورهای الکتریکی خود را تولید کنند. گرچه ما هنوز دور از این هدف هستیم، اما این مطالعه یک آغاز است. ما باید از یک جایی شروع کنیم.
این مطالعه نتیجه یک پروژه بین رشته‌ای بین گروه‌های مختلف موسسه علوم مواد در بارسلون (ICMAB-CSIC) در چارچوب "پروژه‌های مرزی رشته‌ای"، و یک اقدام استراتژیک پروژه Severo Ochoa است.

پیشرفت‌های تازه، امکان غلبه بر محدودیت‌های کلاسیک و بهبودبخشی مواد ترموالکتریک را به مقدار قابل ملاحظه‌ای به وجود می‎آورد. ترموالکتریک در حال حاضر از بازدهی کم -حدود ۵درصد- برخوردار است و مشکلات مواد در دمای بالا را نیز همراه خود دارد. مشکل بازدهی از طریق بالابردن هدایت الکتریکی مواد و کاهش هدایت حرارتی قابل حل است. با این حال بهینه‌ساختن همه خواص بطور همزمان غیرممکن است. انتظار می‌رود فناوری نانو در بهینه ساختن و بهبود بخشیدن به فاکتورهای اساسی آنها تأثیر گذار باشد. هزینه زیاد و بازدهی کم، از موانع اصلی برای تجاری‌شدن و استفاده گسترده از محصولات ترموالکتریک محسوب می‌شود. دسترسی محدود به عناصر شیمیایی مورد نیاز در تراشه‌های ترموالکتریک می‌تواند مسئله‌ساز باشد. تحقیقات بر روی مواد جدید که ارزانتر و فراوانتر هستند، مورد نیاز است. هچنین معماری و طراحی تراشه‌های ترموالکتریک نقش مهمی را در تجاری‌کردن بازار مصرفی آنها بازی می‌کند. یکی از جنبه‌های منحصربه‌فرد تراشه‌های ترموالکتریک این است که جانشین مستقیمی ندارند. وقتی مشکلات فناورانه و تجاری حل شوند، تراشه‌های ترموالکتریک از طریق تفاوت دما در ادوات مختلف بر بازار برداشت انرژی مسلط خواهد شد.
 
برگرفته از سایت ساینس دِیلی