Araştırmacılar ısıyı kullanılabilir güce dönüştüren bir polimer faz geçişi keşfettiler. Bu davranışın, klima gibi cihazların enerji verimliliğini arttırmak için kullanılabileceğini iddia ediyorlar.
Enerjiye en aç ev aleti, diğer tüm aletlerden daha fazla elektrik tüketen klimadır. Şimdi, Teppei Yamada ve Tokyo Üniversitesi’ndeki çalışma arkadaşları, bu sistemlerden gelen atık ısıyı elektriğe dönüştürerek klima için enerji gereksinimlerini azaltmaya yardımcı olabilecek bir madde yarattılar. Kendi güç kaynağına ihtiyaç duyan giyilebilir teknolojiler de bu malzemeyi kullanabilir. Yamada’ya göre ısıyı güce dönüştüren teknolojiler henüz emekleme aşamasında. “Biz burada ilk kez bir [polimer] faz geçişi kullanarak bunu başarıyoruz.”
Yamada ve arkadaşları tarafından kullanılan madde, başkaları tarafından yaratılan termoreponsif bir su emici polimer olan PNV’dir. PNV, oda sıcaklığında çözelti halindeyken suyu emerek her bir polimer zincirine şişkin bir bobin görünümü veriyor. Karışım 40 °C’nin üzerinde ısıtıldığında, zincirler bu suyu serbest bırakır ve kürecikler halinde yoğunlaşır.
İki malzeme arasında elektron alışverişini içeren redoks reaksiyonları da PNV’de “bobin-globül” geçişine neden olabilir. Yamada ve ekibinin kullandığı PNV ipliklerinin her biri sentez sırasında pozitif yüklüdür ve net yükü +2’dir (PNV2+).
Bu fiyatı bire indirmenin birkaç yolu vardır. PNV+, PNV2+ ile aynı bobin-globül geçişini yaşar, ancak 40 °C’nin aksine yaklaşık 20 °C’lik bir sıcaklıkta. Bu nedenle, 30 °C’de tutulan bir örnekte redoks reaksiyonu meydana gelirse elektron transferi bir faz kaymasına neden olacaktır.
Ekibin simülasyonları, bu redoks tetiklemeli faz kayması kullanılarak pil benzeri bir cihazda bir voltaj üretilebileceğini gösteriyor. Prosedür genel olarak aşağıdaki gibidir: Globül PNV+ bir noktada bir elektroda bir elektron katkısında bulunur. PNV+ bu bağışla oksitlenir, bu da PNV2+’ya dönüşmesine ve şişirilmiş bir sarmal halinde genişlemesine neden olur. Sarmal PNV2+ diğer elektrottan bir elektron kabul eder.
Bu işlem polimeri bir küre şeklinde küçültür ve PNV2+’yi PNV+’ye düşürür. Süreç daha sonra devam eder.
Bu işlemin bir voltaj üretmesi için elektrotların sıcaklıkları değişmelidir. Bu durumda, hem soğuk elektrot hem de sıcak elektrot sırasıyla PNV+’nın bobinden globüle geçiş sıcaklığının hemen üzerinde ve PNV2+’nın hemen altında bir sıcaklıkta olmalıdır. Bu sıcaklık gradyanının neden olduğu bobinlerin ve globüllerin cihaz boyunca dengesiz dağılımı nedeniyle, elektrotlar arasında elektrokimyasal bir potansiyel farkı vardır. Ekip üyesi Hongyao Zhou’ya göre bu fark, geleneksel piller de dahil olmak üzere herhangi bir sistemde voltaj üretimi için bir gerekliliktir.
“Sıcaklık gradyanı olmasaydı, faz geçişleri iki elektrotta eşit olarak gerçekleşeceği için herhangi bir voltaj elde edemezdik ve bu durumda aynı elektrokimyasal potansiyele sahip olurduk” diye devam ediyor.
Araştırmacılar gösterileri için iki platin katmanından oluşan bir pil inşa ettiler ve PNV karışımını içine yerleştirdiler. PNV’nin başlangıçta iki durumda var olduğu gösterildi: oksitlenmiş (PNV2+) ve indirgenmiş (PNV+). Sıcak elektrotun sıcaklığını 25 °C’den 45 °C’ye ve soğuk elektrotun sıcaklığını 25 °C’ye ayarlarken voltaj çıkışını ölçtüler.
Araştırmacılar, 50:50 karışım için, sıcaklık farkı 10 °C’den fazla olduğunda voltaj çıkışının aniden arttığını keşfettiler.
Bataryanın en yüksek çıkışı yaklaşık 20 milivolttu ve Zhou daha fazla cihaz ekleyerek bunu artırabileceklerini iddia ediyor. Ekip ilk karışımdaki PNV+’nin PNV2+’ye oranını değiştirdiğinde, bu voltaj sıçramasını oluşturmak için gereken sıcaklık farkı hem daha yüksek hem de daha düşük değerlere gidebilir. Zhou’ya göre, PNV redoks reaksiyonuna giren ancak polimer zincirine sahip olmayan bir molekülle değiştirildiğinde, sadece çok az bir voltaj çıkışının ortaya çıktığını keşfettiler ve bu da polimer faz geçişinin gerçekten elektrik üretiminin nedeni olduğunu kanıtladı.
Yamada, Zhou ve meslektaşları tarafından gerçekleştirilen ters deney, bir akım uygulamayı ve sistemin neden olduğu sıcaklık değişimini ölçmeyi içeriyordu – elektronik cihazları soğutmak için kullanılabilecek bir fenomen. Sıcaklıkta birkaç milikelvinlik bir düşüş gördüler, ancak bu etki daha az dramatikti. Zhou’ya göre, bir polimerin faz geçişinden kaynaklanan sıcaklık değişimi ilk kez keşfedildi.
Sıcaklık gradyanı, ekibin gösterilerinde laboratuvar ekipmanları kullanılarak ayarlandı. Zhou, pratik uygulamalarda bunu başarmak için klima gibi diğer ekipmanlardan gelen atık ısının kullanılabileceğini düşünüyor. İnsan vücudu da bir ısı kaynağı olabilir.
Enerji üretmek için vücut ısısını ve havayı kullanabiliriz çünkü Yamada bu aygıtın çalışması için en iyi sıcaklığın vücut sıcaklığına yakın olduğunu açıklıyor. Burada çeşitli fırsatlar mevcuttur.
İspanya’daki Polimer Bilimi ve Teknolojisi Enstitüsü’nden, sürdürülebilir enerji teknolojileri için işlevsel polimer malzemeler üreten Javier Carretero-González’e göre bu çalışma, polimer malzemelerin enerji uygulamalarında kullanılmasına yönelik yeni bir yaklaşım sunuyor. Ona göre, enerji depolama ve dönüştürmede yeni ve daha çevre dostu polimer malzemelerin kullanılması, daha pahalı inorganik ve metalik sistemlere uygun fiyatlı bir alternatif sağlayabilir. Bu da mevcut teknolojilere kıyasla kesin bir fayda sağlayacaktır.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/136
