Szybkie, zlokalizowane zarządzanie ciepłem jest niezbędne dla urządzeń elektronicznych i może mieć zastosowania, od materiałów do noszenia po obróbkę. Podczas gdy tak zwane materiały termoelektryczne przekształcają różnice temperaturowe na napięcie elektryczne i odwrotnie, ich wydajność jest często ograniczona, a ich produkcja jest kosztowna i marnotrawna. W nowym artykule opublikowanym w Science naukowcy z Instytutu Nauki i Technologii Austria (ISTA) zastosowali technikę drukowania 3D do wytwarzania wysokowydajnych materiałów termoelektrycznych, znacznie obniżając koszty produkcji.
Chłodnicy termoelektryczne, zwane również lodówkami z półprzewodnikowych, mogą indukować zlokalizowane chłodzenie za pomocą prądu elektrycznego do przenoszenia ciepła z jednej strony urządzenia na drugą. Ich długie życie, niepoprawność do wycieków, dostrajanie wielkości i kształtu oraz brak ruchomych części (takich jak krążące płyny) sprawiają, że te urządzenia są idealne do zróżnicowanych aplikacji chłodzenia, takich jak elektronika. Jednak produkcja ich z wlewków wiąże się z wysokimi kosztami i generuje wiele odpadów materialnych. Ponadto wydajność urządzeń pozostaje ograniczona.
Teraz zespół Institute of Science and Technology Austria (ISTA), kierowany przez Verbund Professor for Energy Sciences i szef Werner Siemens Laboratorium termoelektryczne Maria Ibáñez, z pierwszym autorem i ISTA PostDoc Shengduo Xu, rozwinął drukarki 3D i użyłem ich do zbudowania chłodnicy termoelektrycznej. „Nasza innowacyjna integracja drukowania 3D z wytwarzaniem chłodnicy termoelektrycznej znacznie poprawia wydajność produkcji i obniża koszty”, mówi Xu. Również, w przeciwieństwie do poprzednich prób w drukowaniu materiałów termoelektrycznych 3D, obecna metoda daje materiały o znacznie wyższej wydajności. Profesor ISTA Ibáñez dodaje: „Przy wynikach na poziomie komercyjnym nasza praca może wykraczać poza środowisko akademickie, zawierając praktyczne znaczenie i przyciągając zainteresowanie branż poszukujących rzeczywistych zastosowań”.
Przekraczanie granic technologii termoelektrycznych
Podczas gdy wszystkie materiały wykazują jakiś efekt termoelektryczny, często jest to zbyt nieistotne, aby były przydatne. Materiały wykazujące wystarczająco wysoki efekt termoelektryczny są zwykle tak zwane „zdegenerowanymi półprzewodnikami”, IE, „domieszkowane” półprzewodniki, do których zanieczyszczenia są wprowadzane celowo, aby zachowują się jak przewodniki. Obecne najnowocześniejsze chłodnice termoelektryczne są wytwarzane przy użyciu technik produkcyjnych opartych na wlewkach-drogich i żłobnych procedur wymagających szeroko zakrojonych procesów obróbki po produkcji, w których marnuje się dużo materiału. „Dzięki naszej obecnej pracy możemy wydrukować dokładnie potrzebny kształt materiałów termoelektrycznych. Ponadto powstałe urządzenia wykazują efekt chłodzenia netto w powietrzu. znacznie droższe do produkcji ”, mówi Xu. Zatem zespół naukowców z materiałów ISTA proponuje skalowalną i opłacalną metodę produkcji materiałów termoelektrycznych, obchodząc energooszczędne i czasochłonne kroki.
Materiały drukowane z zoptymalizowanym wiązaniem cząstek
Oprócz stosowania technik drukowania 3D w celu wytwarzania materiałów termoelektrycznych, zespół zaprojektował atramenty, tak że w miarę, jak rozpuszczalnik nośnika odparowuje, skuteczne i solidne wiązania atomowe są tworzone między ziarnami, tworząc atomowo połączoną sieć materiału. W rezultacie międzyfazowe wiązania chemiczne poprawiają transfer ładunku między ziarnami. To wyjaśnia, w jaki sposób zespołowi udało się zwiększyć wydajność termoelektryczną swoich materiałów z nadrukiem 3D, jednocześnie rzucając nowe światło na właściwości transportowe porowatych materiałów. „Zastosowaliśmy technikę drukowania 3D opartej na wytłaczaniu i zaprojektowaliśmy formułę ITK, aby zapewnić integralność drukowanej struktury i zwiększyć wiązanie cząstek. Pozwoliło nam to wytworzyć pierwsze chłodnice termoelektryczne z materiałów drukowanych o porównywalnej wydajności z urządzeniami opartymi na wlewkach, jednocześnie zapisując Materiał i energia – mówi Ibáñez.
Zastosowania medyczne, pozyskiwanie energii i zrównoważony rozwój
Oprócz szybkiego zarządzania ciepłem w urządzeniach elektronicznych i do noszenia chłodnice termoelektryczne mogą mieć zastosowania medyczne, w tym leczenie oparzenia i odciążenie mięśni. Ponadto metodę preparatu ITK opracowaną przez zespół naukowców ISTA można dostosować do innych materiałów do zastosowania w generatorach termoelektrycznych o wysokiej temperaturze-urządzeniach, które mogą generować napięcie elektryczne z różnicy temperatury. Według zespołu takie podejście może poszerzyć możliwość zastosowania generatorów termoelektrycznych w różnych systemach pozyskiwania energii odpadów.
„Z powodzeniem wykonaliśmy podejście w pełnym cyklu, od optymalizacji wydajności termoelektrycznej surowców po wytwarzanie stabilnego produktu końcowego o wysokiej wydajności”, mówi Ibáñez. Xu dodaje: „Nasza praca oferuje transformacyjne rozwiązanie do produkcji urządzeń termoelektrycznych i zwiastuje nową erę wydajnych i zrównoważonych technologii termoelektrycznych”.