물리학

에어컨은 에너지를 많이 소모하기 때문에 여름철 가전제품 중 전기 사용량 1위를 차지합니다. 이제 도쿄 대학의 야마다 테페이(Teppei Yamada)와 그의 동료들은 이러한 시스템의 폐열을 전기로 전환하여 에어컨 에너지 수요를 줄이는 데 도움이 될 수 있는 재료를 개발했습니다[1]. 이 소재는 자체적으로 전기를 생산해야 하는 웨어러블 장치에도 사용될 수 있습니다. “열을 전기로 바꾸는 기술은 이제 시작 단계에 있습니다.”라고 Yamada는 말합니다. "여기서 처음으로 [폴리머] 상전이를 사용하여 이를 수행했습니다."

Yamada와 그의 동료들이 사용하는 재료는 다른 사람들이 개발한 물 흡수 폴리머인 PNV라고 불리는 열 반응성 폴리머입니다. 용액 내 실온에서 PNV는 물을 빨아들여 각 폴리머 가닥이 부풀어 오른 코일 모양을 갖게 됩니다. 혼합물을 약 40°C 이상으로 가열하면 사슬이 이 물을 배출하고 조밀한 소구체로 수축됩니다.

PNV의 "코일-구체" 전이는 두 물질 사이의 전자 이동을 포함하는 산화환원 반응을 통해 유도될 수도 있습니다. 합성된 대로 PNV 야마다와 그의 그룹 사용의 각 가닥은 +2(PNV2+)의 순 전하로 양전하를 띠고 있습니다. 이 충전량은 다양한 방법을 통해 1씩 줄일 수 있습니다. PNV+는 PNV2+와 동일한 코일-구체 전이를 겪지만 40°C 대신 약 20°C에서 발생합니다. 따라서 30°C로 유지된 샘플에서 산화환원 반응이 발생하면 전자 이동이 상전이를 유발합니다.

연구팀의 계산에 따르면 산화환원에 의해 유발된 상전이는 특정 조건에서 배터리와 유사한 장치에서 전압을 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 대체로 프로세스는 다음과 같이 진행됩니다. 한 전극에서 소구체 PNV+가 전극에 전자를 기증합니다. 이 기증은 PNV+를 산화시킨 다음 PNV2+로 변하고 팽창하여 부풀어 오른 코일로 변합니다. 다른 전극에서는 코일형 PNV2+가 전자를 얻습니다. 이 작용은 PNV2+를 PNV+로 감소시키고 폴리머를 소구체로 수축시킵니다. 그런 다음 주기가 반복됩니다.

이 반응이 전압을 생성하려면 전극의 온도가 달라야 합니다. 이 경우 차가운 전극은 코일에서 구형으로의 전이 온도인 PNV+ 바로 위의 온도에 있어야 하고, 뜨거운 전극은 코일에서 구형으로의 전이 온도인 PNV2+ 바로 아래의 온도에 있어야 합니다. 이러한 온도 구배는 장치 전체에 걸쳐 코일과 소구체의 분포에 불균형을 초래하고, 이는 결국 전극 사이에 전기화학적 전위차를 유발합니다. 이러한 차이는 모든 시스템, 심지어 일반 배터리에서도 전압 생성을 위한 전제조건이라고 팀원인 Hongyao Zhou는 말했습니다. "온도 구배가 없다면 상전이가 두 전극에서 동일하게 발생하여 동일한 전기화학적 전위를 갖게 되므로 전압을 얻을 수 없습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

시연을 위해 연구원들은 두 개의 백금 층으로 배터리를 만들었으며 그 사이에 PNV 혼합물을 배치했습니다. 처음에 PNV의 절반은 산화된 형태(PNV2+)이고 절반은 환원된 형태(PNV+)였습니다. 그들은 전압 출력을 측정하는 동안 차가운 전극을 25°C로 설정하고 뜨거운 전극을 25°C에서 45°C로 늘렸습니다.

50:50 혼합의 경우 연구원들은 온도 차이가 10°C를 초과하면 전압 출력이 갑자기 급등하는 것을 발견했습니다. 배터리에 대해 기록한 최대 출력은 약 20밀리볼트였으며 Zhou는 여러 장치를 연결하면 이 전압을 늘릴 수 있다고 말했습니다. 이 전압 점프를 얻는 데 필요한 온도 차이는 팀이 초기 혼합에서 PNV+와 PNV2+의 비율을 변경했을 때 더 높은 값과 더 낮은 값으로 조정 가능했습니다. PNV를 산화환원 반응을 거치지만 이와 관련된 고분자 사슬이 없는 분자로 대체했을 때 아주 작은 전압 출력만이 발견되었는데, 이는 고분자 상전이가 실제로 전기 생성의 배후에 있음을 의미한다고 Zhou는 말했습니다.