Plast skaper strøm av temperaturforskjeller
Plast kan blant annet utnytte små temperaturforskjeller til å generere strøm. Dette kan få stor innvirkning på framtidas elektronikk.
POLYMERER: Kroppsvarmen din kan gi strøm til sensorer i klærne dine. Små sensorer for å holde øye med huset ditt kan drives av små temperaturforskjeller der de er – batterier blir overflødige. Et billig plastmateriale åpner for nye muligheter.
Materialet er en termoelektrisk polymer, men for enkelhets skyld kan vi kalle det termoelektrisk plast. (Se faktaboks 1.)
– Dette materialet har store anvendelsesområder, sier førsteamanuensis Dag Werner Breiby ved Institutt for fysikk ved NTNU.
Polymerer
Polymerer er forbindelser som består av kjedeformede molekyler. Plast, gummi og cellulose er eksempler på polymerer.
PEDOT er et plastmateriale, en polymer med spesiell elektronisk og krystallinsk struktur, som gjør at det blir et semimetall. Det innebærer at PEDOT leder strøm godt, men varme dårlig. Denne egenskapen kan blant annet benyttes til å generere strøm ved hjelp av små temperaturforskjeller. (Førsteamanuensis Dag Werner Breiby, NTNU/snl.no)
Der det finnes en liten temperaturforskjell, kan det skapes strøm ved hjelp av plastmaterialet. Forskere ved Linköpings universitet har sett på ulike sider ved plasten kalt polyetylendioxytiofen, eller PEDOT. Prosjektlederen, dosent Xavier Crispin, har fått fysikeren ved NTNU med på laget.
Breibys oppgave har vært å se på oppbyggingen av dette materialet ved hjelp av røntgen. (Se faktaboks 2.)
Leder strøm, ikke varme
Det er gammel allmennkunnskap at plast ikke leder strøm. Tvert imot er de kjent som gode elektriske isolatorer, og elektriske ledninger har derfor et lag med plast rundt seg. Men som med så mye annet de fleste av oss er sikre på, er dette ikke hele sannheten.
Enkelte plastmaterialer kan nemlig lede strøm. Det ser du om du har en av de helt nye OLED-tv-ene. Disse tv-ene har en skjerm bestående av en plastfilm som sender ut lys. Det har vært kjent siden 1970-årene at plast kan være halvledere eller ha metalliske egenskaper.
Semimetaller
I tillegg til isolator, halvleder og leder, finnes ytterligere en kategori av elektriske egenskaper, nemlig semimetall.
For å forklare hva dette er, må vi gå litt dypere inn i materialfysikken. I halvledere er det kjemiske potensialet for elektroner, også kjent som Fermi-nivået, slik at de må de tilføres en energimengde lik energigapet for at noen av elektronene skal kunne bevege seg fritt, og dermed lede strøm. Man sier at elektronene eksiteres fra valensbåndet til ledningsbåndet. Energien kan tilføres for eksempel ved å varme opp materialet, og halvledere vil derfor lede bedre ved høyere temperatur. Eksiteringen etterlater en tom plass, et hull, i valensbåndet. Det er dermed klart at nettoforflytning av ladninger, det vil si elektrisk strøm, kan oppnås enten i form av transport av elektroner i ledningsbåndet, eller som transport av hull i valensbåndet, eller begge deler.
For en isolator kan man si at energigapet er stort, og for metaller er det fraværende.
Forenklet sagt har semimetaller (som vismut, arsen og antimon), ikke noe energigap, samtidig som det kun er plass til noen få ladningsbærere rundt Fermi-nivået. Semimetaller leder derfor strøm, og både hull og elektroner bidrar, men ledningsevnen er heller dårlig. Det samme gjelder varmeledningsevnen, som for semimetaller altså er lav.
(Førsteamanuensis Dag Werner Breiby, NTNU)
Semimetalliske egenskaper i plast har ikke tidligere vært publisert, og bidrar til en forbedret forståelse av den relativt høye termoelektriske yteevnen til disse materialene. Denne plasten kan lede strøm greit, men leder samtidig ikke varme noe særlig. Og nettopp dette er en av grunnene til at materialet er så interessant.
Ny elektronikk
– Dette funnet er spennende med tanke på utvikling av termoelektronikk og spinntronikk, enkelt sagt ny elektronikk, sier Breiby.
Termoelektronikk utnytter nettopp temperaturforskjeller til å generere strøm, eller omvendt. Ved hjelp av det nye plastmaterialet kan altså kroppsvarmen din drive en sensor i klærne dine. Kanskje kan dette brukes til å overvåke hjerterytmen din. Kanskje kan kroppsvarmen drive en kalkulator. Det trengs ingen batterier. Dette kan være fullt mulig snart.
– Bare noen få grader i temperaturforskjell er nok, sier Breiby.
Termoelektrisk plast er veldig billig i forhold til sjeldne uorganiske materialer med lignende egenskaper, og dermed blir teknologien overkommelig i pris for flere anvendelser. Breiby er rask til å understreke at elektronikk basert på plast ofte har dårligere yteevne, men for mange formål kan dette være godt nok. Den første kommersielle anvendelsen forventes å være trådløse sensornettverk, hvor det termoelektriske materialet forsyner sensor og radiosender med strøm.
– Dette er jo et plastmateriale, og industrien er flink til å forme slike materialer på en enkel og billig måte, sier Breiby.
Resultatene ble nylig publisert i det anerkjente forskningstidsskriftet Nature Materials.
