Тепло в ток: как углеродные нанотрубки научились работать в 2-3 раза лучше
Углеродные нанотрубки — это не просто модное слово в науке. Они легкие, гибкие, устойчивы к высоким температурам, а их электропроводность можно тонко настраивать.
Схема получения p- и n-типов углеродных нанотрубок с высокой мощностью с помощью обработки растворами PEG и PEI. Источник: Cun-Yue Guo, University of Chinese Academy of Sciences
По термоэлектрическим свойствам они не уступают проводящим полимерам, но их редко используют в чистом виде для преобразования тепла в электричество. Китайские ученые из Университета Китайской академии наук решили это исправить. Они улучшили термоэлектрические показатели p-типа в 2 раза, а n-типа — в 3, используя методы жидкостной обработки.
Результаты опубликованы в издании Energy Material Advances.
Термоэлектрики — это материалы, которые превращают тепло в электричество без лишнего шума, вредных выбросов и сложных механизмов, — объясняет профессор Го Цуньюэ.
Органические термоэлектрики дешевле, их проще производить, и они эффективны при температурах до 150 °C. А углеродные нанотрубки среди них — одни из самых перспективных.
Как это работает
- Для p-типа добавили полиэтиленгликоль (PEG). Проводимость выросла на 60%, а коэффициент Зеебека (способность материала генерировать напряжение от перепада температур) немного увеличился. В итоге мощность подскочила вдвое.
- Для n-типа использовали полиэтиленимин (PEI). Проводимость резко выросла, а коэффициент Зеебека стал отрицательным — это значит, что материал начал эффективно работать как n-тип. Мощность выросла втрое.
Почему так происходит
В p-типах работает энергетическая фильтрация: PEG создает на поверхности нанотрубок поляризацию, которая пропускает только «горячие» электроны, увеличивая КПД. В n-типах все иначе: PEI просто забрасывает в нанотрубки лишние электроны, превращая их в полупроводники с отрицательным коэффициентом.
P-тип ведет себя как металл, а n-тип — как полупроводник, — говорит Го.
Это открывает путь к созданию компактных термоэлектрических генераторов.
Этот прорыв важен не только для науки, но и для практики. Углеродные нанотрубки дешевле редких металлов, их можно печатать на гибких поверхностях, а значит — встраивать в одежду, гаджеты или даже медицинские датчики. Например:
- Энергия из тепла тела — представьте футболку, которая заряжает смартфон от вашей температуры.
- Охлаждение микросхем — если заставить процессор часть тепла превращать обратно в ток, ноутбуки станут тише и холоднее.
- Автономные датчики — без батареек, работающие от перепадов температур в трубах или двигателях.
Пока мешает низкий КПД, но если удастся масштабировать метод, углеродные нанотрубки могут стать «зеленой» альтернативой традиционным термоэлектрикам.
Ранее ученые обнаружили в нанотрубках сверхэластичность.
