A modern viselhető elektronika – okosórák, fitneszpántok, egészségügyi monitorok – legnagyobb rákfenéje továbbra is az energiaellátás. A folyamatos mérésekhez és adatkapcsolathoz áram kell, az akkumulátorok pedig növelik az eszközök méretét, súlyát, és folyamatos töltést igényelnek. A Szöuli Nemzeti Egyetem kutatói azonban a Science Advances folyóiratban bemutattak egy olyan megoldást, amely a környezeti, pontosabban a testhőmérsékletből nyeri ki a működéshez szükséges energiát, méghozzá mechanikus mozgás nélkül.
A termoelektromos generátorok problémája
A technológia alapja a termoelektromos hatás (Seebeck-effektus), amely akkor állít elő áramot, ha egy anyag két pontja között hőmérséklet-különbség áll fenn – például a meleg emberi bőr és a hűvösebb környezeti levegő között. A kihívást eddig az jelentette, hogy ezt a jelenséget hajlítható, kényelmes, filmszerű vékony anyagokban alkalmazzák.
Mivel ezek a filmek rendkívül vékonyak (gyakran csak néhány mikrométeresek), a hő egyszerűen függőlegesen, egyenesen áthalad rajtuk, akárcsak egy vékony papírlapon. Ennek következtében nem alakul ki egyértelmű "hideg" és "meleg" zóna a filmen belül, így az áramtermelés is minimális marad. A mérnökök korábban ezt a problémát úgy próbálták áthidalni, hogy az anyagokat összehajtogatták, vagy vaskos, 3D-s oszlopszerkezeteket építettek. Ez azonban pont a technológia legnagyobb előnyét: a könnyű, rugalmas, viselhető jelleget tette tönkre.
A technológiáról röviden
A dél-koreai kutatócsoport egy "pszeudo-transzverzális termoelektromos generátort" (pT-TEG) alkotott meg, amely teljesen lapos maradt, mégis képes elegendő áramot termelni. A trükk a hőáramlás irányának megváltoztatásában rejlik.
Ahelyett, hogy hagyták volna a hőt egyenesen felfelé távozni, a tudósok egy speciális, nyújtható szilikon alapot terveztek. Ebbe a szilikonba csak bizonyos szakaszokon ágyaztak be hővezető réz nanorészecskéket. Ennek a "kettős hővezető képességű" hordozónak köszönhetően a testből érkező hő egy része kénytelen oldalirányban mozogni az anyagon belül.
Ez az oldalirányú mozgás sikeresen hoz létre egymás melletti meleg és hideg zónákat a teljesen sík felületen. A megoldás egy olyan komplex fizikai jelenséget (transzverzális termoelektromos hatás) utánoz, ahol a hő és az elektromos áram derékszögben mozog egymáshoz képest. Így a vékony, 2D-s szerkezet is képes hasznosítható feszültséget generálni.
Rugalmas, olcsó és skálázható
A kutatás másik nagy eredménye a gyártástechnológiában rejlik. A teljes pT-TEG eszközt – beleértve a szilikon alapot, az egyfalú szén nanocsövekből (SWCNT) álló termoelektromos réteget és a rugalmas elektródákat is – folyadékalapú (tinta) nyomtatási eljárással készítik. Ez azt jelenti, hogy a gyártás nem igényel drága, bonyolult szervetlen vegyületeket vagy ritkaföldfémeket, ráadásul a végeredmény rendkívül hajlékony marad.
A rendszer ráadásul moduláris: a "kockák" (p- és n-típusú lábak) sakktáblaszerűen egymás mellé építhetők, így a generátor mérete és alakja szabadon skálázható, növelve a kinyerhető feszültséget. A tesztek során a kutatók igazolták, hogy a film emberi bőrre vagy akár egy forró vízzel teli bögrére helyezve is stabil, mérhető feszültséget állít elő.
Bár a technológia még laboratóriumi fázisban van, a Szöuli Nemzeti Egyetem kutatása megnyitotta az utat egy olyan jövő felé, ahol az okosruházatunk, az egészségügyi szenzoraink, vagy akár az okosóráink a saját testünk hőjéből táplálkoznak, feleslegessé téve a hagyományos akkumulátorokat. A lapos, rugalmas kialakításnak köszönhetően ezek az eszközök kényelmesen, észrevétlenül simulhatnak majd a bőrünkre.