Быстрое, локализованное управление теплом необходимо для электронных устройств и может иметь применение от носимых материалов до лечения ожогов. В то время как так называемые термоэлектрические материалы преобразуют разницу температур в электрическое напряжение и наоборот, их эффективность часто ограничена, а их производство является дорогостоящим и расточительным.

В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) использовали технологию 3D-печати для изготовления высокопроизводительных термоэлектрических материалов, что значительно снизило производственные затраты .

Термоэлектрические охладители, также называемые твердотельными холодильниками, могут вызывать локальное охлаждение, используя электрический ток для передачи тепла с одной стороны устройства на другую. Их долгий срок службы, неуязвимость к утечкам, возможность изменения размера и формы, а также отсутствие движущихся частей (например, циркулирующих жидкостей) делают эти устройства идеальными для различных охлаждающих приложений, таких как электроника.

Однако их изготовление из слитков связано с высокими затратами и создает много отходов материала. Кроме того, производительность устройств остается ограниченной.

Теперь группа ученых из Института науки и технологий Австрии (ISTA) под руководством профессора энергетических наук и руководителя термоэлектрической лаборатории Вернера Сименса Марии Ибаньес, а также первого автора и постдокторанта ISTA Шэндуо Сюй разработали высокопроизводительные термоэлектрические материалы с помощью 3D-принтера и использовали их для создания термоэлектрического охладителя.

«Наша инновационная интеграция 3D-печати в производство термоэлектрических охладителей значительно повышает эффективность производства и снижает затраты», — говорит Сюй.

Кроме того, в отличие от предыдущих попыток 3D-печати термоэлектрических материалов, нынешний метод позволяет получать материалы со значительно более высокими характеристиками.

Профессор ISTA Ибаньес добавляет: «Благодаря результатам коммерческого уровня наша работа имеет потенциал выйти за рамки академической сферы, сохраняя практическую значимость и привлекая интерес со стороны отраслей, ищущих реальные приложения».

Раздвигая границы термоэлектрических технологий

Хотя все материалы демонстрируют некоторый термоэлектрический эффект, он часто слишком незначителен, чтобы быть полезным. Материалы, демонстрирующие достаточно высокий термоэлектрический эффект, обычно являются так называемыми «вырожденными полупроводниками», т. е. «легированными» полупроводниками, в которые намеренно вводятся примеси, чтобы они вели себя как проводники.

Современные термоэлектрические охладители производятся с использованием технологий производства на основе слитков — дорогостоящих и энергоемких процедур, требующих обширных процессов механической обработки после производства, при которых большое количество материала уходит в отходы.

«Благодаря нашей текущей работе мы можем печатать на 3D-принтере термоэлектрические материалы точно нужной формы. Кроме того, полученные устройства демонстрируют чистый охлаждающий эффект в 50 градусов на воздухе. Это означает, что наши материалы, напечатанные на 3D-принтере, ведут себя так же, как и те, производство которых значительно дороже», — говорит Сюй.

Таким образом, группа ученых-материаловедов ISTA предлагает масштабируемый и экономически эффективный метод производства термоэлектрических материалов, позволяющий избежать энергоемких и трудоемких этапов.

Печатные материалы с оптимизированным сцеплением частиц

Помимо применения технологий 3D-печати для производства термоэлектрических материалов , команда разработала чернила таким образом, чтобы при испарении растворителя-носителя между зернами образовывались эффективные и прочные атомные связи, создавая атомно-связанную материальную сеть.

В результате интерфейсные химические связи улучшают перенос заряда между зернами. Это объясняет, как команде удалось улучшить термоэлектрические характеристики своих 3D-печатных материалов, а также пролить новый свет на транспортные свойства пористых материалов.

«Мы использовали технологию 3D-печати на основе экструзии и разработали формулу чернил, которая обеспечивает целостность печатной структуры и усиливает сцепление частиц. Это позволило нам изготовить первые термоэлектрические охладители из печатных материалов с производительностью, сопоставимой с устройствами на основе слитков, при этом экономя материал и энергию», — говорит Ибаньес.

Медицинские приложения, сбор энергии и устойчивое развитие

Помимо быстрого управления теплом в электронике и носимых устройствах, термоэлектрические охладители могут иметь медицинское применение, включая лечение ожогов и снятие мышечного напряжения. Кроме того, метод формулирования чернил, разработанный группой ученых ISTA, может быть адаптирован для других материалов, которые будут использоваться в высокотемпературных термоэлектрических генераторах — устройствах, которые могут генерировать электрическое напряжение из разницы температур.

По мнению команды, такой подход может расширить сферу применения термоэлектрических генераторов в различных системах сбора энергии из отходов.

«Мы успешно реализовали подход полного цикла: от оптимизации термоэлектрических характеристик сырья до производства стабильного, высокопроизводительного конечного продукта», — говорит Ибаньес.

Сюй добавляет: «Наша работа предлагает революционное решение для производства термоэлектрических устройств и возвещает о новой эре эффективных и устойчивых термоэлектрических технологий».