Thermo-elektrische materialen kunnen thermische verschillen gebruiken om elektriciteit op te wekken. Nu is er een goedkope en milieuvriendelijke manier om ze te produceren met de eenvoudigste hulpmiddelen:een potlood, kopieerpapier, en geleidende verf. Deze zijn voldoende om een ​​temperatuurverschil via het thermo-elektrisch effect om te zetten in elektriciteit, die nu is gedemonstreerd door een team in het Helmholtz-Zentrum Berlin.

Het thermo-elektrische effect werd bijna 200 jaar geleden ontdekt door Thomas J. Seebeck. Als twee metalen met verschillende temperaturen bij elkaar worden gebracht, ze kunnen een elektrische spanning ontwikkelen. Door dit effect kan restwarmte gedeeltelijk worden omgezet in elektrische energie. Restwarmte is een bijproduct van bijna alle technologische en natuurlijke processen, zoals in elektriciteitscentrales en huishoudelijke apparaten, om nog maar te zwijgen van het menselijk lichaam. Het is ook een van de meest onderbenutte energiebronnen ter wereld.

Klein effect

Echter, hoe nuttig het ook is, het is extreem klein in gewone metalen. Dit komt omdat metalen niet alleen een hoge elektrische geleidbaarheid hebben, maar ook een hoge thermische geleidbaarheid, zodat temperatuurverschillen direct verdwijnen. Thermo-elektrische materialen moeten ondanks hun hoge elektrische geleidbaarheid een lage thermische geleidbaarheid hebben. Thermo-elektrische apparaten gemaakt van anorganische halfgeleidermaterialen zoals bismuttelluride worden tegenwoordig al gebruikt in bepaalde technologische toepassingen. Echter, dergelijke materiaalsystemen zijn duur en het gebruik ervan loont slechts in bepaalde situaties. Onderzoekers onderzoeken of flexibele, niet-toxische organische materialen op basis van koolstofnanostructuren, bijvoorbeeld, kan ook in het menselijk lichaam worden gebruikt.

Het team onder leiding van prof. Norbert Nickel van de HZB heeft nu aangetoond dat het effect veel eenvoudiger kan worden verkregen - met een normaal HB-potlood, ze bedekten een klein gebied met potlood op gewoon kopieerpapier. Als tweede materiaal ze pasten een transparante, geleidende copolymeerverf (PEDOT:PSS) op het oppervlak.

De potloodsporen op het papier leverden een spanning die vergelijkbaar is met andere veel duurdere nanocomposieten die momenteel worden gebruikt voor flexibele thermo-elektrische elementen. En deze spanning kon vertienvoudigd worden door indiumselenide toe te voegen aan het grafiet uit het potlood.

De onderzoekers onderzochten grafiet- en copolymeercoatingfilms met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop en Raman-verstrooiing bij HZB. "Ook voor ons waren de resultaten erg verrassend, ", zegt Nickel. "Maar we hebben nu een verklaring gevonden waarom dit zo goed werkt:de potloodafzetting die op het papier achterblijft, vormt een oppervlak dat wordt gekenmerkt door ongeordende grafietvlokken, wat grafeen, en klei. Hoewel dit de elektrische geleidbaarheid slechts in geringe mate vermindert, warmte wordt veel minder goed getransporteerd."

Deze eenvoudige bestanddelen kunnen in de toekomst wellicht worden gebruikt om extreem goedkoop te printen, milieuvriendelijk, en niet-giftige thermo-elektrische componenten op papier. Dergelijke kleine en flexibele componenten kunnen ook direct op het lichaam worden gebruikt en kunnen lichaamswarmte gebruiken om kleine apparaten of sensoren te bedienen.