Дослідники 3D-друкують високоефективні стійкі термоелектричні матеріали

Швидке, локалізоване управління теплом є важливим для електронних пристроїв і може мати застосування в діапазоні від матеріалів для носіння до лікування опіків. У той час як так звані термоелектричні матеріали перетворюють різницю температур в електричну напругу і навпаки, їх ефективність часто обмежена, а їх виробництво є дорогим і марнотратним.

Дослідники з Інституту науки і технологій Австрії (ISTA) використали техніку 3D-друку для виготовлення високоефективних термоелектричних матеріалів, що значно знизило витрати на виробництво.

Термоелектричні охолоджувачі, також звані твердотільними холодильниками, можуть викликати локальне охолодження за допомогою електричного струму для передачі тепла з одного боку пристрою на інший. Тривалий термін служби, невразливість до витоків, можливість регулювання розміру та форми, а також відсутність рухомих частин (таких як циркулюючі рідини) роблять ці пристрої ідеальними для різноманітних систем охолодження, таких як електроніка.

Однак виготовлення їх із зливків пов’язане з великими витратами та утворенням великої кількості відходів. Крім того, продуктивність пристроїв залишається обмеженою.

Тепер команда з Інституту науки і технологій Австрії (ISTA) на чолі з професором енергетичних наук Вербунда, розробила високоефективні термоелектричні матеріали з 3D-принтера та використала їх для створення термоелектричного охолоджувача. «Наша інноваційна інтеграція 3D-друку у виробництво термоелектричних охолоджувачів значно підвищує ефективність виробництва та знижує витрати», — говорить Сюй.

Крім того, на відміну від попередніх спроб 3D-друку термоелектричних матеріалів, цей метод дає матеріали зі значно вищими характеристиками. Професор ISTA Ібаньєс додає: «Завдяки продуктивності на комерційному рівні наша робота має потенціал вийти за межі академічних кіл, зберігаючи практичну значущість і привертаючи інтерес галузей, які шукають застосування в реальному світі».

Хоча всі матеріали демонструють певний термоелектричний ефект, часто він занадто незначний, щоб бути корисним. Матеріали, що виявляють досить високий термоелектричний ефект, зазвичай є так званими «виродженими напівпровідниками», тобто «легованими» напівпровідниками, до яких навмисно вводять домішки, щоб вони вели себе як провідники.

Сучасні термоелектричні охолоджувачі виготовляються з використанням технології виробництва злитків — дорогих і енергоємних процесів, що вимагають інтенсивних перебігів механічної обробки після виробництва, при яких витрачається багато матеріалу.

«Завдяки нашій нинішній роботі ми можемо 3D-друкувати саме необхідну форму термоелектричних матеріалів. Крім того, отримані пристрої виявляють чистий ефект охолодження повітря на 50 градусів. Це означає, що наші 3D-друковані матеріали працюють так само, як і ті, які є значно дорожчими у виробництві», — говорить Сюй.

Таким чином, команда вчених-матеріалів ISTA пропонує масштабований і економічно ефективний метод виробництва термоелектричних матеріалів, обходячи енергоємні та трудомісткі етапи.

Окрім застосування методів 3D-друку для виробництва термоелектричних матеріалів, команда розробила чорнило таким чином, щоб у міру випаровування розчинника-носія між зернами утворювалися ефективні та міцні атомні зв’язки, створюючи мережу атомно зв’язаних матеріалів.

В результаті, міжфазні хімічні зв'язки покращують передачу заряду між зернами. Це пояснює, як команді вдалося підвищити термоелектричні характеристики матеріалів, надрукованих на 3D-принтері, а також пролити нове світло на транспортні властивості пористих матеріалів.

«Ми застосували техніку 3D-друку на основі екструзії та розробили рецептуру чорнила, щоб забезпечити цілісність надрукованої структури та посилити зв’язок частинок. Це дозволило нам виготовити перші термоелектричні охолоджувачі з друкованих матеріалів із порівняльною продуктивністю з пристроями на основі зливків, заощадивши при цьому матеріали та енергію», — говорить Ібаньєс.

Крім швидкого управління теплом в електроніці та переносних пристроях, термоелектричні охолоджувачі можуть застосовуватися в медицині, зокрема для лікування опіків і зняття напруги м’язів. Крім того, метод складання фарби, розроблений командою вчених ISTA, можна адаптувати для інших матеріалів, які будуть використовуватися у високотемпературних термоелектричних генераторах — пристроях, які можуть генерувати електричну напругу від різниці температур.

«Ми успішно реалізували підхід повного циклу, від оптимізації термоелектричних характеристик сировини до виготовлення стабільного, високопродуктивного кінцевого продукту», — каже Ібаньєс.

Сюй додає: «Наша робота пропонує трансформаційне рішення для виробництва термоелектричних пристроїв і віщує нову еру ефективних і стійких термоелектричних технологій».