Plast lager strøm av temperaturforskjeller

En ny type plast kan utnytte små temperaturforskjeller til å lage strøm. Dette kan få stor innvirkning på framtidas elektronikk.

Publisert
Førsteamanuensis Dag Werner Breiby ved NTNU har sett på oppbyggingen av den semimetalliske plasten ved hjelp av røntgen. (Foto: Per Henning/NTNU)
Førsteamanuensis Dag Werner Breiby ved NTNU har sett på oppbyggingen av den semimetalliske plasten ved hjelp av røntgen. (Foto: Per Henning/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.

(Kilde: Førsteamanuensis Dag Werner Breiby, NTNU/Store norske leksikon)

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.

(Kilde: Førsteamanuensis Dag Werner Breiby, NTNU)

Kroppsvarmen din kan gi strøm til sensorer i klærne dine.

Små sensorer som holder øye med huset ditt kan drives av små temperaturforskjeller – 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.

– Dette materialet har store anvendelsesområder, sier førsteamanuensis Dag Werner Breiby ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Der det finnes en liten temperaturforskjell, kan det skapes strøm ved hjelp av plastmaterialet, kalt polyetylendioxytiofen eller pedot.

Breibys har sett på oppbyggingen av dette materialet ved hjelp av røntgen.

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, 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 som består av en plastfilm som sender ut lys. Det har vært kjent siden 1970-årene at plast kan være halvledere eller ha metalliske egenskaper.

Semimetalliske egenskaper i plast 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 mye billigere enn sjeldne uorganiske materialer med lignende egenskaper, og dermed blir teknologien overkommelig i pris for flere anvendelser. Breiby understreker 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.

Referanse:

Bubnova m.fl: Semi-metallic polymers, Nature Materials, 08 December 2013, doi:10.1038/nmat3824.