В Китае разработана первая в мире резиновая лента, преобразующая тепло тела в электричество. В перспективе она сможет стать источником питания для умных часов и других носимых устройств.
Новый материал сочетает в себе эластичность и эффективное термоэлектрическое преобразование, сообщили его разработчики в журнале Nature.
«До сих пор все зарегистрированные высокоэффективные термоэлектрические материалы обладали лишь гибкостью, а не эластичностью», — говорится в статье.
В настоящее время носимые устройства требуют громоздких аккумуляторов или частой зарядки. Изобретение материаловедов из Поднебесной делает их ненужными.
Это достигается на основе термоэлектрических законов, согласно которым разница температур может генерировать энергию — подобно тому, как паровой двигатель Уатта преобразовывал тепло кипящей воды в энергию, прокладывая путь для первых локомотивов.
Поскольку температура тела человека обычно составляет около 37 градусов по Цельсию, а температура окружающей среды обычно колеблется от 20 до 30 градусов, ученые решили использовать эту разницу и преобразовать ее в электрическую энергию.
Термоэлектрические материалы используются уже много лет. Например, автоматические зонды для исследования глубокого космоса работают от радиоизотопного термоэлектрического генератора, когда солнечная энергия недоступна.
Обычно в роли таких материалов выступают либо неорганические вещества, «твердые, как камень», либо органические, которые, хотя и мягче, плохо работают при растяжении, объяснил материаловед Лей Тин из Пекинского университета, один из авторов исследования.
«Мы первые в мире предложили концепцию термоэлектрической резины», — заявил он.
Целью исследования было создание материала, который может сгибаться, растягиваться и прилипать к коже.
«Такие термические устройства удобны в ношении и эффективно преобразуют тепловую энергию тела в электрическую с меньшими потерями», — заметил Лей.
Теоретически, если материал не сломается или не получит дополнительных повреждений, он будет продолжать снабжать энергией неограниченное время, добавил ученый.
Ключевое новшество заключается в гибридной структуре, которая смешивает и сшивает полупроводниковые полимеры с эластичной резиной. Создав сеть нановолокон внутри материала, исследователи достигли беспрецедентного уровня растяжимости при сохранении высокой электропроводности.
После такой обработки материал можно растянуть более чем на 850% от его первоначальной длины, показали эксперименты. После растяжения на 150% он смог восстановить более 90% своей первоначальной формы, что сопоставимо с натуральным каучуком.
Специальные присадки, или легирующие агенты — небольшое количество вещества, добавляемого в материал для изменения его физических свойств — еще больше повысили производительность, благодаря чему термоэлектрические свойства «электрорезины» при комнатной температуре не уступают традиционным неорганическим материалам.
Новинку можно использовать не только для питания носимых устройств. Она пригодится, к примеру, путешественникам для подключения гаджетов вдали от цивилизации, где электричество можно будет вырабатывать от тепла костра.
Группа также планирует внедрить материал в текстиль, чтобы заряжать мобильный телефон в кармане и регулировать температуру тела, отводя тепло от кожи на внешнюю сторону одежды по полупроводниковым проводам.
Разработка найдет применение и в медицине. Например, система суточного мониторирования ЭКГ (Холтер) сможет работать без батареек, если ее датчики оснастить этой «электрорезиной».