Nanoteknologisk 'film' kan føre til næste generation af smarte stoffer, rapporterer NCSU-forskere

RALEIGH – En film lavet af bittesmå carbon nanorør (CNT) kan være et nøglemateriale i udviklingen af tøj, der kan opvarme eller afkøle bæreren efter behov. Et nyt North Carolina State University undersøgelse finder, at CNT-filmen har en kombination af termiske, elektriske og fysiske egenskaber, der gør den til en tiltalende kandidat til næste generations smarte stoffer.

Forskerne var også i stand til at optimere materialets termiske og elektriske egenskaber, så materialet bevarer sine ønskede egenskaber, selv når det udsættes for luft i mange uger. Desuden blev disse egenskaber opnået ved hjælp af processer, der var relativt enkle og ikke krævede for høje temperaturer.

"Mange forskere forsøger at udvikle et materiale, der er ugiftigt og billigt, men som samtidig er effektivt til opvarmning og afkøling," sagde Tushar Ghosh, medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. "Carbon nanorør, hvis de bruges korrekt, er sikre, og vi bruger en form, der tilfældigvis er billig, relativt set. Så det er potentielt et mere overkommeligt termoelektrisk materiale, der kunne bruges ved siden af huden." Ghosh er William A. Klopman Distinguished Professor of Textiles i NC State's Wilson College of Textiles.

"Vi ønsker at integrere dette materiale i selve stoffet," sagde Kony Chatterjee, førsteforfatter til undersøgelsen og en ph.d. studerende ved NC State. "Lige nu fokuserer forskningen i tøj, der kan regulere temperaturen i høj grad på at integrere stive materialer i stoffer, og kommercielle bærbare termoelektriske enheder på markedet er heller ikke fleksible."

For at afkøle bæreren, sagde Chatterjee, har CNT'er egenskaber, der ville tillade varme at blive trukket væk fra kroppen, når en ekstern strømkilde påføres.

"Tænk på det som en film, med køleegenskaber på den ene side og opvarmning på den anden," sagde Ghosh.

Forskerne målte materialets evne til at lede elektricitet, såvel som dets varmeledningsevne, eller hvor let varme passerer gennem materialet.

En af de største opdagelser var, at materialet har relativt lav varmeledningsevne - hvilket betyder, at varmen ikke nemt ville rejse tilbage til bæreren efter at have forladt kroppen for at afkøle den. Det betyder også, at hvis materialet blev brugt til at opvarme bæreren, ville varmen bevæge sig med en strøm mod kroppen og ikke passere tilbage til atmosfæren.

Forskerne var i stand til præcist at måle materialets varmeledningsevne gennem et samarbejde med laboratoriet af juni Liu, en assisterende professor i mekanisk og rumfartsteknik ved NC State. Forskerne brugte et særligt eksperimentelt design til mere præcist at måle materialets varmeledningsevne i den retning, den elektriske strøm bevæger sig inde i materialet.

"Du er nødt til at måle hver egenskab i samme retning for at give dig et rimeligt estimat af materialets muligheder," sagde Liu, medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. “Dette var ikke en let opgave; det var meget udfordrende, men vi udviklede en metode til at måle dette, især for tynde fleksible film.”

Forskerholdet målte også materialets evne til at generere elektricitet ved hjælp af en forskel i temperatur eller termisk gradient mellem to miljøer. Forskere sagde, at de kunne drage fordel af dette til opvarmning, afkøling eller til at drive lille elektronik.

Liu sagde, at selvom disse termoelektriske egenskaber var vigtige, var det også vigtigt, at de fandt et materiale, der også var fleksibelt, stabilt i luften og relativt nemt at lave.

"Pointen med dette papir er ikke, at vi opnåede den bedste termoelektriske ydeevne," sagde Liu. “Vi opnåede noget, der kan bruges som et fleksibelt, elektronisk, blødt materiale, der er nemt at fremstille. Det er nemt at forberede dette materiale og nemt at opnå disse egenskaber."

I sidste ende er deres vision for projektet at designe et smart stof, der kan opvarme og afkøle bæreren sammen med energihøst. De mener, at en smart beklædningsgenstand kan være med til at reducere energiforbruget.

"I stedet for at opvarme eller afkøle en hel bolig eller et rum, ville du opvarme eller afkøle det personlige rum omkring kroppen," sagde Ghosh. "Hvis vi kunne få termostaten ned en grad eller to, kunne det spare en enorm mængde energi."

Artiklen, "In-plane Thermoelectric Properties of Flexible and Room Temperature Processable Doped Carbon Nanotube Films," blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Energy Materials. Artiklen var medforfatter af Ankit Negi og Kyunghoon Kim, som er ph.d. studerende ved NC State. Forskningen blev støttet af National Science Foundation, under bevillinger 1943813 og 1622451, og af NC State Chancellors Innovation Fund.

(C) NCSU

Originalt indlæg af: WRAL TechWire