پیشرفت جذاب دانشمندان ژاپنی: تولید برق از دمای اتاق با استفاده از دستگاه ترموالکتریک ارگانیک
پژوهشگران ژاپنی یک دستگاه ترموالکتریک یا گرمابرقی ارگانیک توسعه داده‌اند که می‌تواند از دمای اتاق برق تولید کند. دستگاه‌های ترموالکتریک امروز کاربردهای زیادی دارند، اما موانعی برای به‌کارگیری کامل آن‌ها وجود دارد. این دستگاه جدید با استفاده از توانایی‌های منحصربه‌فرد مواد ارگانیک، در دمای اتاق و بدون نیاز به گرادیان دمایی برق تولید می‌کند.
دستگاه‌های گرمابرقی، یا ژنراتورهای ترموالکتریک، مجموعه‌ای از مواد برق‌ساز هستند که در حضور یک گرادیان دمایی (شرایطی که یک سمت دستگاه خنک و سمت دیگر گرم است)، گرما را به برق تبدیل می‌کنند. این دستگاه‌ها به علت توانایی‌شان در تولید برق از انرژی هدررفته دستگاه‌های دیگر، موضوع تحقیقات بسیاری بوده‌اند.
مشهورترین کاربرد ژنراتورهای ترموالکتریک در کاوشگرهای فضا، مانند مریخ‌نورد کنجکاوی و فضاپیمای وویجر، بوده است. این ماشین‌ها برق خود را از ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ تأمین می‌کنند که در آن‌ها گرمای ایزوتوپ‌های رادیواکتیو گرادیان دمایی موردنیاز برای تولید برق را فراهم می‌کند.
اما به علت مشکلاتی شامل هزینه تولید بالا، استفاده از مواد خطرناک، راندمان انرژی پایین و لزوم وجود دماهای نسبتاً بالا، دستگاه‌های ترموالکتریک کاربرد گسترده‌ای ندارند.
پژوهشگران مطالعه حاضر، از دانشگاه کیوشو ژاپن، به دنبال راه‌هایی برای ساخت دستگاه‌های گرمابرقی‌ای بودند که از دمای اتاق برق تولید می‌کنند. آن‌ها روی ترکیبات ارگانیکی متمرکز بودند که انرژی را به سادگی بین خود جابجا می‌کنند. یکی از نمونه‌های خوب کاربرد این مواد ارگانیک، فناوری‌های OLED و سلول‌های خورشیدی ارگانیک هستند.
تصویر شماتیک از لایه‌های دستگاه ترموالکتریک دانشمندان
دستگاه ترموالکتریکی که در دمای اتاق برق تولید می‌کند
کلید کار دانشمندان، یافتن ترکیباتی بود که هنگام انتقال بار در رابط‌ها به‌خوبی عمل می‌کنند. یعنی آن‌ها دنبال موادی بودند که به سادگی الکترون‌ها را بین خود رد و بدل می‌کردند. تیم پژوهشی بعد از آزمایش مواد مختلف، دو ترکیب مناسب پیدا کرد: فتالوسیانین مس (CuPc) و فتالوسیانین هگزا-دکا-فلوئورو مس (F16CuPc).
آن‌ها برای بهبود قابلیت ترموالکتریک این رابط جدید، از فولرن‌ها و باتوکوپروین‌ها (Bathocuproine – BCP) نیز استفاده کردند. این مواد تسهیل‌کننده‌های حرکت الکترون هستند و اضافه کردن آن‌ها قدرت دستگاه را به میزان قابل‌توجهی افزایش داد. در نهایت، دانشمندان به یک دستگاه بهینه رسیدند که از یک لایه ۱۸۰ نانومتری CuPc، یک لایه ۳۲۰ نانومتری F16CuPc، یک پوشش ۲۰ نانومتری فلورن و یک پوشش ۲۰ نانومتری BCP تشکیل می‌شود.
این دستگاه بهینه ولتاژ مدارباز ۳۸۴ میلی‌ولت، چگالی جریان مداربسته ۱.۱ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع و ماکزیمم خروجی ۹۴ نانو-وات بر سانتی‌متر مربع داشت. به‌علاوه، تمام این نتایج در دمای اتاق و بدون استفاده از گرادیان دمایی حاصل شدند.
در سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل‌توجهی در زمینه توسعه دستگاه‌های گرمابرقی حاصل شده‌اند و این دستگاه ارگانیک جدید، که از دمای اتاق برق تولید می‌کند، قطعاً به پیشرفت‌های بیشتر در این حوزه منجر می‌شود.
دانشمندان قصد دارند کار خود را روی این دستگاه ادامه دهند و ببینند آیا می‌توانند آن را با مواد متفاوتی بهینه کنند یا نه. آن‌ها شاید حتی بتوانند با افزایش مساحت دستگاه به یک چگالی جریان بالاتر برسند که برای مواد ارگانیک بی‌سابقه است. این دستاورد نشان می‌دهد که مواد ارگانیک چه قابلیت‌های شگفت‌انگیزی دارند.
پژوهشگران نتایج کار خود را در ژورنال Nature Communications منتشر کرده‌اند.
