Článek
„Až dosud všechny ohlášené vysoce výkonné termoelektrické materiály vykazovaly spíše ohebnost než pružnost,“ napsali vědci v článku publikovaném minulý měsíc v recenzovaném časopise Nature.
Nositelná zařízení v současné době potřebují celkem objemné baterie nebo časté nabíjení. Avšak vývoj účinných termoelektrických materiálů a z nich složených součástek umožní využít teplotního rozdílu ke generování elektrické energie v dostatečném množství, a tedy i k prakticky stálému dobíjení zařízení, nošených na těle, třeba na ruce.
Termoelektrické materiály
Termoelektrické materiály jsou obecně látky, které dokáží přímo přeměňovat teplotní rozdíl na výrobu elektrického napětí nebo naopak, pomocí elektrické energie vytvářet tepelný rozdíl. Klíčovým jevem pro první proces je tzv. Seebeckův efekt, který umožňuje generovat elektrické napětí v obvodu složeném ze dvou různých vodičů, jejichž spoje jsou udržovány na rozdílných teplotách. Čím větší je teplotní rozdíl, tím vyšší je napětí.
Právě tento princip se využívá k výrobě elektřiny z tepla (např. v termoelektrických generátorech). Termoelektrické materiály mívají vhodnou kombinaci těchto vlastností: vysokou elektrickou vodivost, nízkou tepelnou vodivost (jsou tepelnými izolanty) a vysoký koeficient účinnosti termoelektrické konverze.
Vzhledem k tomu, že teplota lidského těla se obvykle pohybuje kolem 37 stupňů Celsia a okolní teploty se obvykle pohybují mezi 20 až 30 stupni, čínský tým si vytkl za cíl využít právě tento typický teplotní rozdíl a „přeměnit“ jej na elektrickou energii.
Termoelektrické materiály se používají již léta. Například sondy vyslané do hlubokého vesmíru spoléhají na radioizotopový termoelektrický generátor, který je pohání, když není k dispozici dost sluneční energie.
Ten má dvě základní součásti: generátor tepla pocházejícího z přirozeného radioaktivního rozpadu některých izotopů prvků a termoelektrický konvertor, sestrojený většinou z nějakého polovodiče, který z tepla (teplotního rozdílu) vytváří elektrické napětí.
První termoelektrická pryž na světě
„Klasické termoelektrické materiály jsou však většinou anorganické povahy a jsou ‚tvrdé jako kameny‘. Pokud jde o dosavadní organické materiály tohoto typu (polymery či nanokompozity), ty jsou sice měkčí nebo ohebné, avšak po natažení krátkodobým působením síly se pak (po jejím vymizení) nevracejí do původní podoby,“ vysvětlil spoluautor studie Lej Tching, materiálový vědec působící na Pekingské univerzitě.
„Jsme první tým na světě, který navrhl koncept termoelektrického kaučuku,“ doplnil.
Peking University’s Prof. Lei Ting and team have developed the first n-type thermoelectric elastomers with superior...
Posted by Peking University on Thursday, August 28, 2025
Lej řekl, že jeho tým pracoval na vytvoření termoelektrického materiálu, který by se mohl ohýbat, natahovat, ale zároveň pružně přilnout ke kůži. „Taková tepelná zařízení se pohodlně nosí a zároveň účinně přeměňují tepelnou energii těla na elektrickou energii, s malými tepelnými ztrátami,“ poznamenal.
Také dodal, že teoreticky, pokud se materiál po čase nerozpadne nebo neutrpí jiné poškození, může dodávat energii po neomezenou dobu.
Klíčová inovace spočívá v hybridní molekulární struktuře, která míchá a síťuje polovodivé polymery s elastickou pryží. Výzkumníci uvedli, že vytvořením nanovlákenné sítě uvnitř materiálu dosáhli nebývalé úrovně roztažnosti při zachování vysoké elektrické vodivosti.
Po této úpravě byl schopen materiál roztažení na více než 850 procent své původní délky, aniž by se přetrhl, uvádí se v dokumentu. Při roztažení na 150 procent dokázal obnovit svůj původní tvar a rozměry zhruba na úroveň srovnatelnou s přírodním kaučukem.
- Pružný (elastický) materiál je takový, který se po působení vnější síly deformuje, ale po jejím odstranění se vrátí do svého původního tvaru a velikosti. Tato schopnost se nazývá pružnost (elasticita). Deformace, která po odstranění síly zmizí, se proto označuje jako elastická deformace. Příkladem je gumová páska, jejíž délka se po natažení vrátí na původní úroveň, nebo ocelová pružina, která se po stlačení vrátí do původního tvaru. Opakem elastického materiálu je plastický materiál, který si i po odstranění síly trvale zachová svůj deformovaný tvar.
Speciální malé množství další látky přidané do materiálu za účelem změny jeho fyzikálních vlastností dále zvýšilo jeho (termo)elektrický výkon, což vedlo k uspokojivým výsledkům při pokojové teplotě - to konkuruje konvenčním anorganickým materiálům tohoto typu.
„Nejde však jen o nabíjení menší nositelné elektroniky,“ uvedl Lej a poukázal na mnohem širší škálu potenciálních aplikací. Například bychom takto mohli napájet komunikační či jiná elektronická zařízení v odlehlých a izolovaných oblastech – pouhým rozděláním ohně.
Skupina také plánuje začlenit materiál do oblečení, aby v něm bylo možné pomocí tělesného tepla nabíjet mobilní telefon v kapse. Další zajímavou aplikací by byla regulace tělesné teploty (chlazení) pomocí polovodičových drátů z tohoto materiálu, což by vedlo k přenosu tělesného tepla na vnější stranu oděvu.
Tato inovace by mohla mít uplatnění i v lékařské oblasti. Například kardiovaskulární vyšetření v současné době vyžadují, aby pacienti nosili nějaké elektronické monitorovací zařízení po dobu jednoho týdne, aby se shromáždilo dostatečné množství dat. To vyžaduje relativně velkou baterii i další nemalé komponenty, ale nový materiál by umožnil nošení (samonabíjecích) lékařských senzorů blízko těla, bez potřeby dalších baterií.
