Lämpöä sähköksi lyijykynällä ja paperilla

Helmholtz-Zentrum Berlinin (HZB) tutkijat ovat osoittaneet uudenlaisen edullisen ja ympäristöystävällisen tavan tuottaa lämpösähköä yksinkertaisilla komponenteilla: tavallinen kynä, valokopiopaperi ja johtava maali riittävät muuttamaan lämpötilaeron sähköksi.

Niin hyödyllinen kuin lämpösähköinen vaikutus onkin, se on äärimmäisen pieni tavallisissa metalleissa. Lämpösähkömateriaaleilla on oltava alhainen lämmönjohtavuus mutta hyvä sähkönjohtavuus.

Epäorgaanisista puolijohdemateriaaleista, kuten vismutti-telluridista valmistettuja lämpösähkölaitteita käytetään jo joissakin teknologisissa sovelluksissa. Tällaiset materiaalijärjestelmät ovat kuitenkin kalliita. Myös hiilen nanorakenteisiin perustuvia, myrkyttömiä orgaanisia aineita tutkitaan käytettäväksi esimerkiksi ihmiskehossa.

Professori Norbert Nickelin HZB:n johtama tiimi on nyt osoittanut, että vaikutus voidaan saada paljon yksinkertaisemmin: tavallisella HB-kynällä he piirustivat pienen alueen tavallisessa valokopiopaperissa. Toisena materiaalina ne levittivät pintaan läpinäkyvän, johtavaa kopolymeeri maalia (PEDOT: PSS).

Tuloksena on, että paperilla oleva kynälyijy tuottaa jännitettä, jota saadaan paljon kalliimmista nanokomposiiteista, joita nykyisin käytetään joustavissa lämpösähköisissä rakenteissa. Ja tätä jännitettä voitaisiin kasvattaa kymmenkertaiseksi lisäämällä indium-selenidiä grafiitille kynästä.

Tutkimus tehtiin grafiitti- ja kopolymeeripäällystekalvoilla käyttäen erikoismenetelmiä (Raman-sironta). "Tulokset olivat hyvin yllättäviä myös meille", kertoo Nickel. "Mutta nyt olemme löytäneet selvityksen siitä, miksi tämä toimii niin hyvin: paperiin jäänyt lyijyjälki muodostaa pinnan, jolle on tunnusomaista järjestäytymättömät grafiittihiutaleet, osittain grafeenia ja savea. Vaikka tämä vähentää vähän sähkönjohtavuutta, lämpö kulkee vielä vähemmän tehokkaasti."

Näitä yksinkertaisia komponentteja voidaan tulevaisuudessa käyttää painettaessa lämpösähköisiä komponentteja paperille, joka on erittäin halpaa, ympäristöystävällistä ja myrkytöntä. Tällaisia pieniä ja joustavia komponentteja voitaisiin käyttää myös suoraan kehoon ja voisivat käyttää kehon lämpöä toimimaan pieninä laitteina tai antureina.