Negli ultimi anni, la ricerca sulla produzione di energia da fonti rinnovabili ha portato a numerosi sviluppi tecnologici e scientifici, tra cui la produzione di inchiostri termoelettrici. Questi inchiostri sono in grado di trasformare il calore in energia elettrica, aprendo la strada a una vasta gamma di applicazioni in diversi settori, dall'elettronica ai trasporti. La capacità degli inchiostri termoelettrici di raccogliere energia si basa sul principio del "differenziale di temperatura".
Panoramica introduttiva
Quando esposti a una fonte di calore, come il corpo umano o una sorgente di energia termica, gli inchiostri termoelettrici generano una differenza di potenziale elettrico, producendo energia. Questa energia può poi essere raccolta e utilizzata per alimentare dispositivi elettronici come sensori, display o persino dispositivi medici. L'interesse per gli inchiostri termoelettrici sta crescendo rapidamente, poiché questi materiali offrono numerosi vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionali per la produzione di energia. Sono flessibili, leggeri, economici e possono essere stampati su superfici diverse, rendendoli adatti per una vasta gamma di applicazioni. Inoltre, possono funzionare anche in condizioni di bassa luminosità o di oscurità totale, rendendoli una soluzione promettente per la raccolta di energia in ambienti in cui altre tecnologie falliscono. In questo articolo, esploreremo più nel dettaglio la tecnologia degli inchiostri termoelettrici, i loro vantaggi e limitazioni e le loro possibili applicazioni future.
Negli ultimi decenni, l'energia termoelettrica è stata sempre più considerata come una tecnologia promettente per la produzione di energia pulita e sostenibile. I materiali termoelettrici sono in grado di convertire il calore in energia elettrica e viceversa, aprendo la possibilità di utilizzare il calore generato da molte fonti di energia come combustibili fossili, energia solare, energia geotermica, come fonte di energia pulita e rinnovabile.
Un team di ricerca internazionale, composto da scienziati del King Abdullah University of Science and Technology in Arabia Saudita, della University of California, Santa Barbara negli Stati Uniti e dell'Università di Padova in Italia, ha pubblicato un articolo scientifico sulla produzione di film ibridi termoelettrici a base di inchiostri. L'articolo, intitolato "Thermoelectric Inks and Power Factor Tunability in Hybrid Films through All Solution Process", è stato pubblicato sulla rivista scientifica ACS Applied Materials & Interfaces.
Il team di ricerca ha utilizzato una combinazione di nanomateriali a base di ossido di zinco (ZnO) e nanoparticelle di oro (Au) per produrre gli inchiostri termoelettrici utilizzati per la stampa dei film ibridi. La produzione degli inchiostri a base di ZnO e Au è stata realizzata utilizzando una tecnica di deposizione da soluzione unica, il che significa che l'intero processo è stato realizzato attraverso la soluzione dei materiali e senza l'uso di tecniche di deposizione a vuoto costose.
Inoltre, il team di ricerca ha dimostrato che la composizione degli inchiostri può essere facilmente modificata per ottenere diverse proprietà termoelettriche dei film ibridi prodotti. In particolare, hanno dimostrato che è possibile regolare il fattore di potenza, che è una misura dell'efficienza di conversione del calore in energia elettrica, variando la concentrazione di nanoparticelle d'oro negli inchiostri utilizzati.
I film ibridi termoelettrici prodotti utilizzando gli inchiostri a base di ZnO e Au hanno dimostrato una buona efficienza di conversione del calore in energia elettrica e hanno mostrato di poter essere facilmente integrati in dispositivi elettronici esistenti. Inoltre, il team di ricerca ha dimostrato che i film ibridi possono essere stampati su una vasta gamma di substrati, compresi substrati flessibili come la plastica, aprendo la possibilità di utilizzarli in applicazioni flessibili e portatili come indossabili, sensori di temperatura e di rilevamento di gas.
Questi risultati rappresentano un importante passo avanti nella produzione di film ibridi termoelettrici a base di inchiostri. La tecnologia di produzione a base di soluzioni apre la strada alla produzione su larga scala di dispositivi termoelettrici economici e altamente efficienti, che potrebbero essere utilizzati in molte applicazioni industriali, commerciali e domestiche.
Materiali termoelettrici
I materiali termoelettrici (TE) sono in grado di interconvertire calore ed elettricità e questa capacità non solo ha portato a tecnologie notevoli come i generatori di energia utilizzati nell'esplorazione spaziale, ma ha anche un evidente potenziale nella transizione verde per recuperare il calore di scarto. La nanostrutturazione è diventata un approccio importante per ridurre la conduttività termica κ indipendentemente dalla conduttività elettrica σ. Per un'applicazione diffusa dei materiali TE, è altrettanto importante che l'integrità strutturale e la stabilità chimica dei materiali siano preservate in condizioni operative. I metodi chimici bottom-up sono comunemente utilizzati per il loro basso costo, la necessità di un investimento ridotto e la possibilità di scalare il processo di sintesi. Nanoparticelle, nanopiatti, film nanocristallini, nanorods, nanotubi, nanofili e nanoflussi, sono state sintetizzate mediante micelle inverse, tramite deposizione di vapore chimico metallo-organico, riflusso, elettrodeposizione, riduzione chimica, solvotermia, idrotermia, ultrasuoni e microonde assistite.
D'altra parte, c'è una quantità significativa di lavoro incentrato sui materiali TE ibridi, in cui i materiali TE solidi sotto forma di pellet compattati, mezzi porosi, nanofili o nanoparticelle sono integrati all'interno di specie organiche e inchiostri per creare TE flessibili o per alterare le proprietà delle parti allo stato solido o organiche. Questi materiali hanno tipicamente prestazioni significativamente ridotte rispetto alle loro controparti puramente allo stato solido; tuttavia, hanno il vantaggio di essere flessibili ed economici. Tipicamente, sono destinati ad applicazioni legate all'IoT e all'alimentazione dell'elettronica flessibile, per le quali è richiesta una raccolta di energia sufficiente, piuttosto che eccessiva.
La purezza di fase dei materiali tal quali è stata studiata mediante raggi X, e i modelli di diffrazione che hanno mostrato un'elevata purezza di fase sono stati poi utilizzati per formulare gli inchiostri TE e i film ibridi. È interessante notare, tuttavia, che σ può aumentare sostanzialmente con l'aggiunta di dodecanethiol (DDT), che migliora la connettività della rete conduttiva, come possiamo vedere nella Figura 1.
Figura 1: Aggiunta di dodecanethiol (DDT) a una nanoparticella
Inoltre, il DDT conferisce anche migliori proprietà reologiche alla formulazione dell'inchiostro, grazie all'aumento della viscoelasticità. Triplica la conduttività elettrica del film originale, accompagnata anche da un leggero aumento del coefficiente di Seebeck, grandezza fisica che descrive la capacità di un materiale di generare una differenza di potenziale elettrico quando viene sottoposto a una differenza di temperatura. Pertanto, il fattore di potenza dei film ibridi con DDT aumenta di cinque volte rispetto a quelli senza DDT.
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