นักวิจัยสร้างวัสดุยืดหยุ่นสำหรับการใช้ในเทอร์โมอิเล็กทริค

          ปัจจุบันพลังงานทางเลือกนั้นมีมากมาย หลายอย่างจนนับไม่ถ้วน ไม่ว่าจะเป็น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานความร้อน และที่ขาดไม่ได้เลยอย่างนึง วัสดุทางเลือกสำหรับการผลิตพลังงานกระแสไฟฟ้า อย่างเช่น เทอร์โมอิเล็คทริกซ์(Thermoelctric) เป็นต้น ก่อนเราจะไปเข้าเรื่องว่านักวิจัยใช้วัสดุยืดหยุ่นอะไรเพื่อใช้กับเทอร์โมอิเล็กทริค เราจะไปเข้าพื้นฐานกันก่อนว่า เทอร์โมอิเล็กทริค(Thermoelectriv) คืออะไรกัน


          เทอร์โมอิเล็กทริค(Thermoelectric) หรือเรียกอีกชื่อนึงว่า เครื่องกำเนิดแบบซีเบ็ค คือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยการแปลงจากพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างขั้ว มาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเจ้าตัวเทอรืโมอิเล็กทริกซ์นั้น ยังสามารถนำไปใช้ในชีวิตประจำวันของเราสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งตรงขั้วเทอร์โมอิเล็กทริกซ์ทั้งสองขั้วนั้น ทำมาจากวัสดุโซลิดสเตท เราเรียกกันว่า โมดูล(module) ซึ่งเจ้าโมดูลนี้ แบ่งเป็นสองขั้ว ด้วยกันคือ ฝั่งนึงจะเป็น สารกึ่งตัวนำชนิด เอ็น(N-Doped) ซึ่งสารกึ่งตัวนำชนิด เอ็นนี้ จะมีประจุส่วนมากเป็นอิเล็กตรอน และ ประจุส่วนน้อย เป็นโฮล ซึ่งหมายความว่า ฝั่งชนิดเอ็นนี้ มีขั้วเป็นลบ และในทางตรงกันข้าม วัสดุสารกึ่งตัวนำฝั่งพี(P-Doped) จะมีพาหะประจุส่วนมากเป็นโฮล และ พาหะประจุส่วนน้อยเป็น อิเล็กตรอน นั่นหมายความว่า ตัวนำฝั่งพีนั่น จะมีขั้วเป็นบวก เมื่อเกิดความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของแผ่นเซรามิก ทั้งบนและล่าง หลังจากนั้นจะเกิดการไฟไหลจาก ประจุลบ ไปยังประจุบวก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในโมดูลของเทอร์โมอิเล็กทริคแบบครบวงจร           จากนั้นเมื่อเรารู้หลักการทำงานของเทอร์โมอิเล็กทริกแล้ว นักวิจัยจึงได้เกิดไอเดียขึ้นใหม่ว่าจะพัฒนาวัสดุตรงขั้วของโมดูลใหม่ ไม่ว่าจะเป็น หาสารกึ่งตัวนำตัวอื่นมาใช้แทน หรือปรับเปลี่ยนตรงวัสดุเซรามิก ให้เป็นอิฐมวลเบาต่างๆนาๆ แต่เมื่อไม่นานมานี้มีนักวิจัยได้ทำการวิจัยและพัฒนา วัสดุที่เบาและหยืดหยุ่นโดยใช้วัสดุทางออแกนิกเคมีมาทำเป็นเทอร์โมอิเล็กทริคโมดูลเพื่อใช้ในการกักเก็บพลังงานจากตัวความร้อน ซึ่งการคิดค้นและวิจัยวัสดุนี้เป็นวัสดุผสมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเสื้อผ้า นักวิจัยจากLaboratory of Organic Electronics at Linköping University ได้ผสมวัสดุออร์แกนิกกับวัสดุผสมที่มีคุณสมบัติไม่ว่าเป็น เบา และ หยืดหยุ่น อีกทั้งยังมีคุณสมับติการนำไฟฟ้าที่ดี และ อีกทั้งยังมีคุณสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริคที่ดีอีกด้วย ซึ่งผลงานวิจัยเหล่านี้ได้ถูกตีพิมพ์Nature Communications ซึ่งเป็นการร่วมมือในการวิจัยระหว่าง Belgium, New Zealand และ California อีกด้วย Nara Kim นักศึกวิจัยหลังปริญญาเอก ได้ทำการศึกษาและวิเคราะห์ตัวอย่าง ด้วยการนำ3ตัวอย่างวัสดุ ด้วยการใช้ 1.วัสดุตัวนำแบบโพลิเมอร์ หรือ PEDOT:PSS 2.ยางแบบโพลี่ยูเรเทนที่ละลายในน้ำ และ สุดท้าย สารละลายไอออนิก ผลจากการทดลองแสดงได้เห็นว่า วัสดุโพลิเมอร์แบบ PEDOT:PSSนั้นมีคุณสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริกซ์ที่ดีไม่ว่าจะเป็นการนำไฟฟ้า และ ในส่วนของยาง polyurethaneนั้นจะทำให้มีความหยืดหยุ่นของตัววัสดุ และ สุดท้ายของเหลวไอออนิก ที่จะทำให้เกิดความนุ่มของตัววัสดุ ที่สามารถนำไปใช้ให้เกิดการหยืดหยุ่นของตัววัสดุบนเทอร์โมอิเล็กทริกซ์โมดูล


          Professor Xavier Crispin หัวหน้านักวิจัยจากศนูย์  Laboratory of Organic Electronics นั้นได้กล่าวว่า เขาจะอธิบายวัสดุและส่วนประกอบที่นำมาวิจัยศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับการหยืดหยุ่นของวัสดุสำหรับทำเทอร์โมอิเล็กทริคนี้ โดยเริ่มจาก PEDOT:PSS คือ วัสดุโพลิเมอร์โดยทั่วไปและใช้ในหลายๆงานทางอตุสาหกรรมไม่เพียงแค่มีคุณสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริกซ์ที่ดีแล้ว อีกทั้งยังมีความหนาแน่นของฟิลม์โพลิเมอร์ที่ทนทาน และ ในทางตรงกันข้ามยังมีความเปราะบางในตัวเมื่อนำไปรวบรวมกันอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือ gadgetทั้งหลายสำหรับสวมใส่ อีกทั้งวัสดุที่เรานำมาทดสอบ100ครั้งนั้นจะทำให้วัสดุนั้นนุ่ม และ เบา และ พอทดสอบอีก100ครั้งนั้นจะมีความหยืดหยุ่นมากกว่า PEDOT:PSS ซะอีก ซึ่งถ้าจะสามารถควบคุมโครงสร้างของวัสดุนั้นจะต้องควบคุมควบคู่ไปกับสเกลที่มีขนาดนาโนและไมโคร เมื่อสองลักษณะนี้มาผสมรวมกันแล้วจะทำให้มีคุณสมบัตินั้นแตกต่างจากวัสดุผสมอื่นๆอีกด้วย Klas Tybrandt หัวหน้านักวิจัย the Laboratory of Organic Electronics. ได้กล่าวเอาไว้ ดั่งวีดีโอสาธิตที่แนบไว้อยู่ด้านล่าง
    

          ต่อมาวัสดุผสมซึ่งจะเป็นการผสมแล้วสามารถละลายในน้ำซึ่งจะทำให้เกิดความแตกต่างที่เกิดขึ้นบนพื้นผิววัสดุ เมื่อไหร่ที่วัสดุนั่นหยืด หรือ ห่อตัว จะทำให้วัสดุผสมนั้นสามารถทำให้เกิดการเคลื่อนที่ได้ และอีกทั้งในโรงงานอุตสาหกรรมจะนำวัสดุผสมนี้ไปใช้ในกระบวนการผลิตเพราะ วัสดุผสมนี้ประกอบไปด้วยออร์แกนิกเคมี ซึ่งเป็นมีราคาถูกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย Nara Kim กล่าว ซึ่งนักวิจัยส่วนใหญ่นั้นจะหาทางความเป็นไปได้ในการสร้างวัสดุที่อ่อนและหยืดหยุ่นสูงโดยทำมาจาก วัสดุออร์แกนิก และในสุดท้ายนี้ ของเหลวไอออนิกที่เป็นสารตั้งต้นในโพลิเมอร์และอีลาสโตเมอรื เมื่อนำมาผสมกันแล้วจะเกิดวัสดุนาโนผสมแบบใหม่ที่ใช้ในหลายๆงานในวงการอุตสาหกรรมด้วยกัน ไม่ว่าจะเป็น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริค ซุปเปอร์คาพาซิเตอร์ แบตเตอร์รี่ เซนเซอร์ และอื่นๆอีกมากมายในวงการวิทยาศาสตร์ และ อุตสาหกรรมให้ได้นำไปปรับใช้กัน และ ศึกษาวิจัยกันต่อไปในอนาคตสำหรับพลังงานทางเลือกแห่งอนาคต  

อ้างอิง

• https://phys.org/news/2020-03-stretchable-thermoelectric.html
• https://www.nature.com/articles/s41467-020-15135-w
• https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/