Araştırmacılar, zorlu ortam koşullarında kararlı termal enerji performansı sağlayan bir termoelektrik malzeme geliştirdiler. Bu malzemenin geliştirilmesinde bir çok şart göz önünde bulundurulmuştur.
Öncelikle giyilebilir bir malzemenin, çekme, bükme ve basma gibi koşullar altında mekanik bir arıza ve kopma olmaksızın dayanması gerekir. Bu özellikleri sağlayan en iyi malzemeler, esnek malzemelerdir. Metaller ve polimerler, esnek bir şekilde kullanılabilen tipik malzemelerdir. İstenilen yüksek termoelektrik performansını karşılayabilen malzemede seramiktir. Ancak, seramikler son derece kırılgan bir yapıya sahiptir. Seramiklerin zayıf mekanik özelliklerini iyileştirmek için çok çaba sarf edilmiştir. Örneğin, polimerlerin üstün mekanik özelliklerinden ve seramiklerin yüksek işlevselliğinden yararlanmak için polimerik bağlayıcılar işlevsel seramik parçacıklar ile birleştirilebilir. Bununla birlikte, bu yaklaşım kaçınılmaz olarak malzeme özelliklerini bozar çünkü polimerik bağlayıcı, tipik olarak yalnızca mekanik bir destek görevi görür ve özellikle yüksek elektrik iletkenliği gerektiğinde dezavantaj oluşturur. Dahası polimerler aşırı sıcak veya soğuk ortamlarda savunmasızdır, bu da hibritin bu tür koşullarda kullanılmasını zorlaştırır. Daha spesifik olarak, doğası gereği kırılgan olan termoelektrik (TE) malzemeler, ironik bir şekilde farklı yüzeyler arasında verimli ısı alışverişi için mükemmel şekil uygunluğunu gerektirir.
Geleneksel TE malzemeler kübik şekillere bölünür, sert ve kırılgan bir alt tabaka üzerine monte edilir. Ancak insan derisi bunun için uygun değildir. Bu yüzden, giyilebilir esnek termoelektrik malzemeler geliştirdiler. Örneğin, polidimetilsiloksan (PDMS) gibi elastomerik polimerlerin infiltrasyonu, geleneksel dikdörtgen TE malzemelerine orta düzeyde esneklik sağlamıştır. Ancak PDMS gibi malzemeler ısı kaybı nedeniyle düşük termoelektrik performansı sergilemiştir.
Bu verilere dayanarak araştırmacılar, en uygun malzemenin bizmut tellür (Bi2Te3) olduğuna karar verdiler. İnorganik nano şeritlerin esnekliğinde ilham alan araştırmacılar nanomold tabanlı bir elektron ışını biriktirme tekniği kullanarak termoelektrik fiberleri iplik şeklinde bükerek oluşturdular. Geliştirilen Bi2Te3 ipliği 0,5 – 1,0 mm eğilme eğriliği ve 1.000 defadan fazla tekrarlanan %5 çekme ve eğilme geriliminin altında elektriksel özelliklerinde hiçbir değişiklik olmayıp, mükemmel bir mekanik özellik göstererek testleri başarıyla geçmiştir. Ayrıca, geliştirilen TE ipliği metal boruların etrafına serbestçe sarılabilir, can yeleklerinin içine gömülebilir veya bir süveter içine örülebilir. Kullanım alanının genişliği sayesinde, kaybedilen ısı enerjisi geri dönüştürülebilir. Örnek olarak, metal boruda kullanılırsa, içinden geçen sıcak havayı soğutabilir. Can yeleğinde, soğuk deniz suyunu insan tenine sıcak olarak yansıtabilir. Süveterlerde, ısı iletimini sağlayarak vücut ısısını koruyabilir. Bu gibi örnekler, atık ısı enerjisinin toplanabildiğini ve tekrar kullanılabildiğini gösterir bu da bize tekstil sektörü, endüstri sektörü gibi sektörlerde bu araştırmanın ticarileştirme olasılığı kanıtlar.
Araştırmacılar bu araştırmada ne kadar Bi2Te3 üzerine odaklanmış olsalarda, TE malzemelerinin potansiyelleri konusunda iyimserler. Örneğin CoSb3 , SnSe, AgSbTe2 ve SiGe gibi malzemeleri kullanıma uygun şekilde uyarlanabilir. Çünkü bu malzemeler iplik yapılarına dönüştürülebilir ve yüksek sıcaklıkta enerji üretiminin ötesinde niş uygulamalarda mükemmelleşmeye hazırlar. Ayrıca, doğası gereği kırılgan olan bu inorganik bileşikler, Bi2Te3‘e uygulanan işlemler sayesinde esnek ancak işlevsel iplikler oluşturarak geleneksel olan kırılganlık sınırlarını aşılabileceğine inanılıyor.
Kaynaklar
Bu makaleyi okurken gerçekten etkilendim. Esnek termoelektrik liflerin ısıyı nasıl yönetebildiğini öğrendim. Özellikle bismut tellür gibi malzemeleri kullanıp bu lifleri hem esnek hem de dayanıklı yapabilmeleri mükemmel.
Atık ısıyı geri dönüştürüp kıyafetlerimize bile entegre edebileceğiz.
Böyle öğretici bir yazı için yazarına teşekkür ederim.