Ana sayfa Bilim Gündemi Giyilebilir termoelektrik malzemelerle tanışın!

Giyilebilir termoelektrik malzemelerle tanışın!

1610
PAYLAŞ
Kol bandındaki esnek pil (solda), esnetilebilir elektrik devresi (ortada), ısıtıp soğutmaya yarayan termoelektrik malzeme (sağda). Kaynak: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Nazlı Turan

Her gün giydiğimiz kıyafetlerimizi enerji deposu haline getirme fikri, vücuttan enerji hasat etmekten nesnelerin internetine (Internet of things) kadar yeni uygulamalara yol açıyor. Gelecekte kıyafetlerimizi şarj aleti olarak da kullanabileceğiz. Peki bütün bu uygulamalar hangi malzemelerle mümkün hale geliyor?

Termoelektrik üreteçler ısı akışıyla oluşan sıcaklık farkını elektriğe çeviren araçlardır. Isıyı enerjinin başka formlarına çevirmek insanların konforunu arttırmanın yanında enerji tüketimini düzenlemenin de bir yoldur. Örneğin, global düzeyde enerji tüketiminin yüzde 10’u binaların ısıtma ve soğumasına harcanmaktadır. Arabalarda yolcuların konforunu sağlamak için harcanan enerji de aküdeki enerjinin yüzde 40’ına kadar çıkabilmektedir. Bunun yanında tüm binanın veya aracın sıcaklığını tek bir sıcaklığa ayarlamak her bireyin konforunu garanti edemez. Termoelektrik üreteçler ise vücudu serinletme amaçlı kullanılabilir çünkü gereken düşük güç halihazırda vücudumuzda mevcut. Fakat bu araçların da kendi içinde verim sorunları var. Yakın zamana kadar 1 saatten fazla etkili soğutma sağlayan bir termoelektrik üreteç elde edilemedi. Geçtiğimiz günlerde ise, Kaliforniya Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı esnek, hafif ve rahatlıkla giyilebilir bir araç tasarladı ve çalışmaları Science Advances dergisinde yayınlandı.

Araştırmacılar termoelektrik araçlarda sıklıkla kullanılan bizmut-tellür alaşımlarını bakır elektrotlara lehimledi ve iki esnek elastomer (termoplastik) tabakanın arasına sıkıştırdı. Bütün tabakalar, esnekken elektriği en üst düzeyde iletmeleri için tasarlandı. Elektrik akımı elastomerler arasında akarken bir tarafı soğutup diğer tarafı ısıttı. Bir erkek denekle gerçekleştirilen testlerde yeni termoelektrik araç deriye yapıştırıldı ve 2 dakika içinde deri sıcaklığının 32ºC’ye düşmesi sağlandı. Daha sonra dış ortam sıcaklığı 22ºC ve 36ºC arasında değiştirildi. Deneğin deri sıcaklığı deney süresince 32ºC’de kaldı. Birini serin tutmak için gereken ortalama 26-80 Watt arası güç küçük termoelektrik üreteçleri ızgara şeklinde birleştirerek sağlandı. Bir ofisi soğutmak için gereken klimanın kilowatt seviyesindeki tüketimi düşünülürse bu değerler hiç de fena değil.

Grafen tabakalar arasına sıkıştırılan hekzagonal boron nitrit (h-BN), malzemenin esnek bir pil gibi görev yapmasını sağlıyor. Credit: Nanoscale (2019). DOI: 10.1039/C9NR00463G1039/C9NR00463G

Giyilebilir elektronikler bir miktar esneklik sağlasa bile vücudun hava almasına engel olabilir ve yıkanamaz. Nanoscale dergisinde basılan diğer bir araştırma ise grafen bazlı iletken tabakaların pamuk, yün, ipek gibi kumaşlara güçlü hidrojen bağlarıyla yapışabileceğini gösterdi. Oluşan grafen oksitlerin (GO) hidroksil (–OH) ve karboksil (–COOH) fonksiyonel grupları yüzeye tutundu ve yeni kumaşları yıkanabilir hale getirdi. Bu sonuca ulaşmak için, nanoboyuttaki grafen tabakaları bir çözücü içine koyularak birbirine bağlı ve iletken bir tabaka oluşturuldu. Kumaş üzerinde bir pil yaratmak amacıyla grafen, hekzagonal boron nitrit (h-BN) ile karıştırılarak malzemenin yüklü parçacıkları tutabilmesi sağlandı. Bu pilin, tekrarlı olarak 20 kez yıkamaya ve 100 kez bükülmeye dayanabildiği gösterildi.

Yeni gelişmeler araştırmacılara pek çok yeni uygulama alanı açtı. İki boyutlu termoelektrik malzemeler giysilerimizde taşınabilir hale gelmek üzere. Bu aynı zamanda enerji harcamalarımıza da yansıyacak. Eğer enerjiyi depolayabilirsek akıllı giysileri de üzerimizde taşıyacağız ve belki geleceğin modası çok farklı olacak.

Kaynaklar:
1) https://phys.org/news/2019-05-washable-wearable-battery-like-devices-woven.html
2) https://techxplore.com/news/2019-05-wearable-cooling-patch-personal-thermostat.html
3) Hong, Sahngki ve ark., “Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation.” Science Advances 5.5 (2019): eaaw0536.
4) Qiang, Siyu ve ark., “Wearable solid-state capacitors based on two-dimensional material all-textile heterostructures.” Nanoscale (2019).