Физика

Кондиционеры потребляют энергию так, что в летние месяцы они выходят на первое место по потреблению электроэнергии среди бытовых приборов. Теперь Теппей Ямада и его коллеги из Токийского университета разработали материал, который может помочь снизить потребности в энергии для кондиционирования воздуха за счет превращения отходящего тепла от этих систем в электричество [1]. Этот материал также может быть использован в носимых устройствах, которым необходимо генерировать собственное электричество. «Технологии, которые превращают тепло в электричество, находятся на начальной стадии», — говорит Ямада. «Здесь мы впервые делаем это, используя [полимерный] фазовый переход».

Материал, который используют Ямада и его коллеги, представляет собой термочувствительный полимер под названием PNV, водопоглощающий полимер, разработанный другими. В растворе при комнатной температуре ПНВ всасывает воду так, что каждая нить полимера принимает форму раздутого клубка. Нагрейте смесь примерно до 40 °C, и цепочки вытеснят эту воду и сжимаются в компактные шарики.

Переход «клубок-глобула» ПНВ также может быть вызван окислительно-восстановительной реакцией, которая представляет собой реакцию, включающую перенос электронов между двумя материалами. В результате синтеза каждая цепь PNV Ямады и его группы заряжена положительно, с чистым зарядом +2 (PNV2+). Этот заряд можно уменьшить на единицу различными способами. PNV+ претерпевает тот же переход клубок-глобула, что и PNV2+, но при температуре около 20 °C вместо 40 °C. Таким образом, если в образце, хранящемся при 30 °C, происходит окислительно-восстановительная реакция, перенос электрона вызовет фазовый переход.

Расчеты команды показывают, что этот фазовый переход, вызванный окислительно-восстановительным процессом, может — при определенных условиях — использоваться для генерации напряжения в устройстве, похожем на батарею. В общих чертах процесс происходит следующим образом: на одном электроде глобула PNV+ отдает электрон электроду. Это пожертвование окисляет PNV+, который затем превращается в PNV2+ и раздувается в раздутый клубок. На другом электроде спиральный PNV2+ захватывает электрон. Это действие превращает PNV2+ в PNV+ и сжимает полимер в глобулу. Затем цикл повторяется.

Чтобы эта реакция генерировала напряжение, электроды должны иметь разную температуру. В этом случае холодный электрод должен иметь температуру чуть выше температуры перехода катушка-глобула PNV+, а горячий электрод - чуть ниже температуры перехода катушка-глобула PNV2+. Этот температурный градиент вызывает дисбаланс в распределении катушек и глобул по устройству, что, в свою очередь, вызывает разность электрохимических потенциалов между электродами. Эта разница является предпосылкой для генерации напряжения в любой системе, даже в обычных батареях, — говорит член команды Хунъяо Чжоу. «Если бы не было градиента температуры, мы бы не получили никакого напряжения, потому что фазовые переходы происходили бы одинаково на двух электродах, которые тогда имели бы одинаковый электрохимический потенциал», — добавляет он.

Для демонстрации исследователи построили батарею из двух слоев платины, между которыми поместили смесь ПНВ. Первоначально половина ПНВ находилась в окисленной форме (ПНВ2+), а половина – в восстановленной форме (ПНВ+). Они установили температуру холодного электрода на 25 °C и увеличили температуру горячего электрода с 25 °C до 45 °C при измерении выходного напряжения.

Для смеси 50:50 исследователи обнаружили, что выходное напряжение внезапно подскочило, когда разница температур превысила 10 °C. Максимальное напряжение, которое они зарегистрировали для своей батареи, составило около 20 милливольт. Чжоу говорит, что это напряжение можно увеличить, подключив несколько устройств. Разность температур, необходимая для получения такого скачка напряжения, можно было регулировать: она увеличивалась как до более высоких, так и до более низких значений, когда команда меняла соотношение PNV+ и PNV2+ в исходной смеси. Лишь небольшое выходное напряжение было обнаружено, когда они заменили PNV молекулой, которая подвергается окислительно-восстановительной реакции, но не имеет связанной с ней полимерной цепи, что указывает на то, что фазовый переход полимера действительно стоит за выработкой электроэнергии, говорит Чжоу.