محققان آزمایشگاه ملی انرژی‌های قابل بازیافت دانشکده انرژی (NREL) آمریکا نوعی نانولوله کربنی طراحی کرده‌اند که می‌تواند به عنوان یک ژنراتور نیروی ترموالکتریک عمل و انرژی گرمایی هدررفته را به نیروی الکتریکی تبدیل کند.
این تحقیق می‌تواند به ساخت ابزارهای ترموالکتریکی کمک کند. این مقاله که در مجله Nature Energy به چاپ رسیده با همکاری NREL و موسسه عالی علوم و تکنولوژی کُره و همچنین محققانی از دانشگاه دنور به انجام شده است.
نیمی از انرژی که در سطح جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد به صورت گرما هدر می‌رود، لذا استفاده از ژنراتور نیروی ترموالکتریک به عنوان بخش مهمی از انرژی‌های قابل بازیافت و یکی از ابزارهای کارآمد و پرسود در مصرف انرژی مورد توجه قرار گرفته است.
ثابت شده است نیمه‌رساناهای غیرآلی که دارای ساختارهای نانو هستند در تولید ابزارهای ترموالکتریک عملکرد خوبی دارند. وقتی بخواهیم از نیمه‌رساناهایی استفاده کنیم که سبک و قابل انعطاف بوده و شکل‌شان به راحتی تنظیم شود مواد غیرآلی کارایی چندانی ندارند، چرا که این مواد غالبا سنگین بوده و فاقد انعطاف‌پذیری لازم هستند، در حالی که نانولوله‌های کربنی که نوعی مواد آلی هستند بسیار سبکتر و انعطاف‌پذیرترند.
نحوه عملکرد نانولوله‌های کربنی به این بستگی دارد که نانولوله‌ها فلزی باشند یا نیمه رسانا. هر دوی این نانولوله‌ها به طور همزمان در فرآیند تولید نانولوله تولید می‌شوند. یک نانولوله کربنی فلزی کمک چندانی به ساخت ژنراتور ترموالکتریک نمی‌کند، در حالی که نانولوله نیمه‌رسانا عملکرد این گونه وسایل را بهبود می‌بخشد. در این مطالعه، محققان روشی برای جداسازی نانولوله‌های نیمه رسانا از انواع فلزی آن ابداع کرده‌اند. در حقیقت فرآیند مربوط به این جداسازی بخش مهمی از تحقیق حاضر را تشکیل می‌دهد.
برای به دست آوردن نانولوله‌هایی که بسیار نیمه‌رسانا باشند، محققان نانولوله‌ها را با استفاده از پلیمرهای پلی فلروان از دوده جدا کردند. نانولوله‌های نیمه‌رسانا بر روی یک سوبسترای شیشه‌ای آماده‌سازی شدند تا یک لایه تشکیل دهند. لایه حاصل سپس به داخل محلولی از اکسیدان تری تیلوکسونیوم هگزا کلر آنیمونات (OA) غوطه ور شد؛ این فرآیند به نام خالص‌سازی شناخته می‌شود و تراکم عناصر باردار که در فیلم جریان پیدا کرده و منجر به هدایت نیروی الکتریسیته می‌شوند را افزایش می‌دهد.
محققان دریافتند نمونه‌هایی که بهترین عملکرد را دارند آنهایی هستند که در معرض غلظت‌های بالاتری از OA قرار گرفته‌اند. آن‌ها همچنین توانستند قطر بهینه لوله‌های نانوکربنی را تعیین کنند تا به این ترتیب عملکرد الکتروترموستاتیکی آن‌ها را به حداکثر برسانند.
در مورد مواد ترموالکتریک یک مبادله معکوس بین نیروی گرمایی (نیروی الکتریکی که وقتی یک ماده در معرض شیب گرمایی قرار می‌گیرد، تولید می‌شود) و هدایت الکتریکی وجود دارد و با افزایش هدایت الکتریکی نیروی گرمایی کاهش پیدا می‌کند. محققان دریافتند که با استفاده از نانولوله‌های کربنی این امکان وجود دارد که نیروی گرمایی علی‌رغم بالا بودن هدایت الکتریکی همچنان در سطوح بالا حفظ شود. علاوه بر این در زمان استفاده از این نانولوله‌ها هدایت الکتریکی افزایش و هدایت گرمایی کاهش می‌یابد.
این نتیجه غیرمنتظره یکی دیگر از فواید استفاده از نانولوله‌ها برای ابزارهای تولیدکننده نیروی ترموالکتریکی است، چرا که بهترین ابزارهای ترموالکتریک بایستی هدایت الکتریکی و نیروی گرمایی بالا داشته باشند و در عین حال هدایت گرمایی آن‌ها در حداقل میزان ممکن قرار داشته باشد.
منبع: ایسنا