Figure 1. Thermopuissance géante des matériaux thermoélectriques ioniques (i-TE). (A) matériaux i-TE de gélatine- X KCl- m / m FeCN4-/3- ( X est KCl et m / m sont des concentrations molaires de K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6, respectivement) dans ce travail comme la gélatine ( X =0M, m / m =0M), Gélatine-FeCN4-/3- ( X =0M, m / m =0,42/0,25 M), Gélatine-KCl ( X =0,8 M, m / m =0 M) et Gélatine-KCl-FeCN4-/3- ( X =0,8 M, m / m =0,42/0,25M, rapport volumique eau/gélatine r v =2,0 et 3,0). (B) Pouvoir thermique absolu des matériaux i-TE contenant l'effet de thermodiffusion ou l'effet thermogalvanique. Crédit :Université des sciences et technologies du Sud
Une recherche révolutionnaire publiée dans Science et dirigé par la Southern University of Science and Technology (SUSTech) a découvert que la gélatine pourrait être utilisée pour alimenter des appareils à l'avenir, en utilisant uniquement la chaleur générée par le corps humain.
Professeur agrégé Weishu Liu (MSE, SUSTech) a dirigé son équipe de recherche, en collaboration avec le professeur Gang Chen au Département de génie mécanique, Institut de technologie du Massachusetts (MIT), pour développer un dispositif portable de preuve de concept alimenté par de la gélatine. L'article a été publié en ligne dans la revue académique à fort impact, La science comme première version, sous le titre, "Thermopower géant de la gélatine ionique proche de la température ambiante, " le jeudi 30 avril, 2020
La majorité des matériaux thermoélectriques sont des semi-conducteurs inorganiques qui nécessitent des métaux nobles ou une technologie de traitement. Les chercheurs se sont concentrés sur l'exploration de nouveaux matériaux thermoélectriques proches de la température ambiante, qui utilisent l'effet Seebeck pour convertir l'énergie thermique en énergie électrique. L'utilisation de dispositifs thermoélectriques électroniques auto-alimentés nécessite l'intégration de milliers voire de dizaines de milliers de minuscules éléments thermoélectriques de 10 à 100 microns, ou inclure un amplificateur de tension DC-DC avec un coût de la densité de puissance de sortie.
Avant le défi du match de tension, Weishu Liu a appelé à une exploration pour "aller au-delà de Seebeck" en envisageant d'utiliser les ions et le domaine électrique comme vecteur d'énergie, ou d'autres nouveaux mécanismes pour résoudre ce défi d'application thermoélectrique. Ces recommandations ont été formulées dans son article intitulé « Nouvelles tendances, stratégies, et opportunités dans les matériaux thermoélectriques :Une perspective, " Publié dans Matériaux Aujourd'hui Physique en 2017.
Figure 2. Preuve de concept d'un appareil i-TE portable. (A) Essai de traction du matériau i-TE. (B) Tension générée à partir d'un dispositif portable i-TE flexible de preuve de concept avec 25 éléments unipolaires (5 × 5 × 1,8 mm) en série portés sur le dos de la main humaine. (C) Puissance (ligne, -), tension (ligne pointillée, –), courant de sortie (ligne pointillée, -∙-) courbes en récoltant la chaleur corporelle réelle. (D) Comparaison des performances de la tension de sortie et de la puissance de l'appareil portable en utilisant des matériaux e-TE et des matériaux i-TE à semi-conducteurs dans des conditions réelles de port du corps humain. N représentait le nombre d'éléments thermoélectriques de type n/p dans les dispositifs portables. Crédit :Université des sciences et de la technologie du Sud
L'article publié aujourd'hui dans Science est le reflet de nombreuses années de travail acharné. La gélatine en question est une substance de haut poids moléculaire qui se trouve dans les os. Il est recherché par les chefs dans un large éventail de cuisines tout en étant également une matière première essentielle pour plusieurs applications industrielles.
L'équipe de recherche a initialement proposé qu'un gel ionique quasi-solide puisse atteindre un effet de potentiel thermoélectrique géant en combinant l'effet de l'entropie diffuse des ions et l'entropie réactionnelle du couple redox (réaction chimique de réduction-oxydation). Ils ont atteint une puissance thermique de 17,0 mV K-1 dans un matériau thermoélectrique ionique quasi solide, qui est près de deux ordres de grandeur plus élevé que celui du thermoélectrique électronique typique
L'équipe de recherche a ensuite assemblé vingt-cinq unités pour représenter un dispositif de validation de principe. Chaque unité a été assemblée dans un dispositif portable flexible, en utilisant un corps humain pour le pouvoir. Les chercheurs ont pu atteindre une tension allant jusqu'à 2,2 volts (V) et une puissance de sortie maximale de 5 W. Bien que cela semble petit, il peut piloter les capteurs de la plupart des appareils de l'Internet des objets (IoT).
Weishu Liu a dit, "La découverte expérimentale de l'effet thermoélectrique géant nous a apporté de la joie, et puis beaucoup de questions. Le professeur Gang Chen nous a fourni les lignes directrices essentielles pour répondre à chaque question une par une. Cela nous a également permis de réaliser la vérité sur la joie de la recherche :n'abandonnez jamais votre exploration, car il s'agit de votre rêve. Vous devez continuer à chercher jusqu'à ce que vous obteniez la vérité, pour trouver de nouvelles connaissances."
