تبدیل گرمای بدن به برق با کمک اسفنج‌های نانویی

  محققان مؤسسه‌ تحقیقات فناوری شیمی کره موفق به توسعه‌ فناوری جدیدی در حوزه‌ تولید برق ترموالکتریک شدند که در آن از نانولوله‌های کربنی انعطاف‌پذیر استفاده شده است؛ ساختاری که می‌تواند به راحتی شکل بپذیرد و در کاربردهای پوشیدنی جای گیرد. این دستاورد به رهبری دو پژوهشگر به نام‌های هان می‌جونگ (Han Mi-jeong) و کانگ یونگ‌هون (Kang Young-hoon) در مرکز تحقیقات مواد شیمیایی این مؤسسه حاصل شده و در تاریخ ۱۳ آوریل ۲۰۲۵ به‌صورت رسمی معرفی شده است.

مواد ترموالکتریک توانایی تبدیل مستقیم گرما به برق (و بالعکس) را دارند. این فناوری از تفاوت دمایی میان دو نقطه از یک جسم برای حرکت بارهای الکتریکی استفاده کرده و در نتیجه، انرژی الکتریکی تولید می‌کند. این ویژگی باعث شده است که بسیاری از مؤسسات تحقیقاتی جهان به دنبال استفاده از آن برای کاهش مصرف انرژی، افزایش بهره‌وری و مقابله با تغییرات اقلیمی باشند.

اما تاکنون بیشتر مواد ترموالکتریک با ترکیبات فلزی و غیرآلی ساخته می‌شدند که انعطاف‌پذیری کمی داشتند و برای کاربردهای پوشیدنی مانند حسگرها یا تجهیزات الکترونیکی همراه مناسب نبودند. از سوی دیگر، مواد آلی مانند نانولوله‌های کربنی به‌خاطر انعطاف‌پذیری بالا جذاب‌ هستند، اما عملکرد ترموالکتریک ضعیف‌تری دارند و از نظر دوام نیز دچار محدودیت هستند.

این تیم تحقیقاتی کره‌ای با استفاده از ترکیب نانولوله‌های کربنی با بیسموت-آنتیموان-تلورید (BiSbTe) در ساختاری فومی یا اسفنج‌مانند موفق شدند بر محدودیت‌های عملکردی فائق آیند. برخلاف روش‌های متداول که در آنها مواد ترموالکتریک به‌شکل فیلم‌های نازک تهیه می‌شوند، این گروه روشی متفاوت در پیش گرفت: آنها پودر ماده را درون قالب ریخته و با حرارت دادن چند ساعته، ساختاری متخلخل و سه‌بعدی تولید کردند.

در مرحله بعد، ماده‌ ترموالکتریک به‌صورت یکنواخت درون ساختار اسفنجی دوپ شد. نتیجه این بود که نه‌تنها دوام مکانیکی نسبت به شکل فیلمی بهبود یافت، بلکه شاخص عملکرد ترموالکتریک نیز ۵.۷ برابر افزایش یافت. نکته‌ مهم دیگر آن‌که پس از بیش از ۱۰ هزار بار خم‌ کردن این ساختار، کاهش محسوسی در عملکرد مشاهده نشد.

یکی دیگر از مزیت‌های کلیدی این فناوری جدید، کاهش چشمگیر زمان تولید است. در حالی که روش‌های سنتی تولید نانولوله‌های کربنی برای کاربردهای مشابه بیش از سه روز زمان نیاز دارند، محققان این پروژه توانستند در مدت تنها ۴ ساعت مواد ترموالکتریک با عملکرد بالا تولید کنند. این موضوع نویدبخش افزایش بهره‌وری صنعتی و امکان‌پذیری تجاری‌سازی در آینده است.

به گفته‌ تیم تحقیقاتی، «این مطالعه یک پیشرفت بزرگ در غلبه بر محدودیت‌های مواد ترموالکتریک موجود محسوب می‌شود و می‌تواند آینده‌ فناوری‌های جمع‌آوری انرژی انعطاف‌پذیر را دگرگون کند.» آنها همچنین اعلام کرده‌اند که تا سال ۲۰۳۰ قصد دارند فرآیند دوپینگ را برای تولید انبوه و استفاده تجاری بهینه‌سازی کنند.

این نوآوری می‌تواند فصل جدیدی را در توسعه‌ تجهیزات پوشیدنی مستقل از باتری، حسگرهای زیستی، ابزارهای پایش سلامت و حتی کاربردهای صنعتی رقم بزند؛ جایی که انعطاف‌پذیری، دوام و عملکرد بالا توأمان اهمیت دارند.