Wetenschap
Het voeden van draagbare apparaten met hoogwaardige koolstofnanobuisgarens
Met de groei van het Internet of Things worden duurzame oplossingen voor het voeden van draadloze sensoren en apparaten belangrijk geacht. Zo kunnen thermo-elektrische generatoren, die restwarmte kunnen omzetten in elektriciteit, een duurzame oplossing bieden. Onderzoekers over de hele wereld hebben aan dergelijke oplossingen gewerkt.
Een onderzoeksteam, onder leiding van Masakazu Nakamura van het Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan heeft ook gewerkt aan flexibele draagbare thermo-elektrische generatoren die elektriciteit produceren uit lichaamswarmte door nanomaterialen, koolstofnanobuisjes (CNT's) genaamd, in stof te naaien.
Effectieve thermo-elektrische (TE) materialen worden gekenmerkt door een hoge elektrische geleidbaarheid die een hoge elektrische stroom mogelijk maakt en een grote Seebeck-coëfficiënt die spanning genereert door temperatuurverschil. CNT's voldoen aan de meeste van deze vereisten. Hun flexibiliteit en hoge mechanische sterkte maken ze ook veelbelovend voor diverse TE-toepassingen. De hoge thermische geleidbaarheid van CNT's beperkt echter hun TE-prestaties.
Om hun thermische geleidbaarheid te verlagen, worden CNT's verspreid in een oplossing waar ze kunnen worden gecombineerd met andere materialen. Deze dispersie wordt vervolgens via een nat spinproces tot CNT-garens gesponnen. Conventionele dispersiemethoden verstrikken echter vaak nanometerdikke CNT-filamenten, waardoor hun elektrische geleidbaarheid en thermo-elektrische prestaties afnemen.
Nu echter in een onderzoek gepubliceerd in ACS Applied Nano Materials , Nakamura, samen met een Ph.D. student Anh N. Nguyen en andere leden, ook van NAIST, introduceren een nieuwe methode voor het verspreiden van CNT's. Door glycerol als dispergeermiddel en polyoxyethyleen(50)stearylether als oppervlakteactieve stof te gebruiken (een stof die wordt gebruikt om de verspreidings- en bevochtigingseigenschappen van een vloeistof te verbeteren), bereikten de onderzoekers een CNT-garen met uitgelijnde CNT-bundels.
"We introduceren een goedkope, snelle en milieuvriendelijke methode voor de ontwikkeling van flexibele en draagbare thermo-elektrische apparaten van stoftype", zegt Nakamura.
Glycerol is zeer stroperig, waardoor het een uitstekend medium is voor het gelijkmatig dispergeren van CNT's, terwijl de oppervlakteactieve stof voorkomt dat de CNT's in de dispersie agglomereren. De oppervlakteactieve stoffen met oxyethyleengroepen belemmeren ook de warmteoverdracht doordat ze tussen de CNT-bundels komen.
De concentratie oppervlakteactieve stof is cruciaal, omdat deze zowel de thermische als de elektrische geleidbaarheid van de CNT-dispersie beïnvloedt. Na het testen van de CNT-eigenschappen bij verschillende concentraties oppervlakteactieve stoffen (3%, 4% en 5%), ontdekten onderzoekers dat een concentratie van 3% oppervlakteactieve stoffen, gecombineerd met een oplossing die glycerol en CNT's bevatte, de beste resultaten opleverde. Het proces, dat slechts drie uur in beslag nam en gebruik maakte van milieuvriendelijke chemicaliën, produceerde CNT-garen met sterk uitgelijnde CNT-bundels met een diameter van acht nm met daartussen een oppervlakteactieve stof.
Het uitlijnen van de CNT's verhoogt doorgaans zowel de elektrische als de thermische geleidbaarheid. Door oppervlakteactieve moleculen tussen CNT-bundels te plaatsen, konden onderzoekers echter het warmtetransport onderdrukken. De CNT-garens hadden een arbeidsfactor van 242 μW m −1 K −2 (reflecterende prestatie) drie keer hoger dan die van CNT-garens die eerder werden verkregen via methoden waarbij ionische vloeistoffen als dispergeermiddelen werden gebruikt.
"De sleutel tot hoge prestaties is het ontrafelen van de verstrengeling van het ruwe CNT-materiaal en het vergroten van de mate van CNT-oriëntatie wanneer het uit de dispersie wordt gesponnen", legt Nakamura uit.
De voorgestelde nieuwe aanpak is dus veelbelovend voor het verbeteren van de thermo-elektrische prestaties van CNT-materialen, van garens tot films en bulkstructuren.