Fisica

Gli impianti di climatizzazione consumano molta energia, tanto che, nei mesi estivi, sono al primo posto tra gli elettrodomestici per consumo di elettricità. Ora Teppei Yamada e i suoi colleghi dell’Università di Tokyo hanno sviluppato un materiale che potrebbe aiutare a ridurre il fabbisogno energetico per il condizionamento dell’aria trasformando il calore di scarto di questi sistemi in elettricità [1]. Il materiale potrebbe essere utilizzato anche in dispositivi indossabili che necessitano di generare la propria elettricità. “Le tecnologie che trasformano il calore in elettricità sono agli inizi”, afferma Yamada. “Qui per la prima volta, lo facciamo utilizzando una transizione di fase [polimerica]”.

Il materiale utilizzato da Yamada e dai suoi colleghi è un polimero termoreattivo chiamato PNV, un polimero che assorbe l'acqua sviluppato da altri. In soluzione, a temperatura ambiente, il PNV aspira acqua in modo tale che ciascun filamento polimerico assuma la forma di una spirale rigonfia. Riscaldare la miscela a una temperatura superiore a circa 40 °C e le catene espellono quest'acqua e si restringono in globuli compatti.

La transizione “bobina-globulo” del PNV può anche essere indotta attraverso una reazione redox, che è una reazione che comporta il trasferimento di elettroni tra due materiali. Come sintetizzato, ogni filamento del PNV Yamada e il suo utilizzo in gruppo sono caricati positivamente, con una carica netta di +2 (PNV2+). Questo addebito può essere ridotto di uno attraverso vari metodi. PNV+ subisce la stessa transizione bobina-globulo di PNV2+ ma a circa 20 °C invece che a 40 °C. Pertanto, se si verifica una reazione redox in un campione mantenuto a 30 °C, il trasferimento di elettroni innescherà una transizione di fase.

I calcoli del team mostrano che questa transizione di fase innescata dal redox può, in determinate condizioni, essere utilizzata per generare una tensione in un dispositivo simile a una batteria. In generale, il processo avviene come segue: su un elettrodo, il globulo PNV+ dona un elettrone all'elettrodo. Questa donazione ossida il PNV+, che poi si trasforma in PNV2+ e si gonfia in una spirale rigonfia. Sull'altro elettrodo, PNV2+ a spirale prende un elettrone. Questa azione riduce PNV2+ in PNV+ e restringe il polimero in un globulo. Il ciclo poi si ripete.

Affinché questa reazione generi una tensione, gli elettrodi devono avere temperature diverse. In questo caso l'elettrodo freddo deve trovarsi a una temperatura appena superiore alla temperatura di transizione bobina-globulo di PNV+ e l'elettrodo caldo a una temperatura appena inferiore alla temperatura di transizione bobina-globulo di PNV2+. Questo gradiente di temperatura provoca uno squilibrio nella distribuzione delle bobine e dei globuli nel dispositivo, che a sua volta induce una differenza di potenziale elettrochimico tra gli elettrodi. Questa differenza è un prerequisito per la generazione di tensione in qualsiasi sistema, anche nelle normali batterie, afferma il membro del team Hongyao Zhou. "Se non ci fosse il gradiente di temperatura, non otterremmo alcuna tensione perché le transizioni di fase avverrebbero equamente sui due elettrodi, che avrebbero quindi lo stesso potenziale elettrochimico", aggiunge.

Per la loro dimostrazione, i ricercatori hanno costruito una batteria con due strati di platino, tra i quali hanno posizionato la loro miscela PNV. Inizialmente, metà del PNV era in forma ossidata (PNV2+) e metà in forma ridotta (PNV+). Hanno impostato l'elettrodo freddo a 25 °C e aumentato la temperatura dell'elettrodo caldo da 25 °C a 45 °C misurando la tensione in uscita.

Per la miscela 50:50, i ricercatori hanno scoperto che la tensione in uscita aumentava improvvisamente quando la differenza di temperatura superava i 10 °C. L'uscita massima registrata per la batteria era di circa 20 millivolt, una tensione che Zhou afferma che potrebbero aumentare collegando più dispositivi. La differenza di temperatura richiesta per ottenere questo salto di tensione era regolabile, raggiungendo valori sia più alti che più bassi quando il team alterava il rapporto tra PNV+ e PNV2+ nella miscela iniziale. È stata trovata solo una piccola tensione in uscita quando hanno sostituito il PNV con una molecola che subisce la reazione redox ma non ha alcuna catena polimerica associata ad essa, indicando che la transizione di fase polimerica era effettivamente dietro la generazione di elettricità, dice Zhou.