كشف إمكانات InTe لتطبيقات حرارية كهربائية مرنة بأداء محسن عبر التعايش Bi/Se ودمج MnO₂

تحويل حرارة الجسم إلى طاقة قابلة للاستخدام

يُفقد يومياً كميات هائلة من الطاقة على شكل حرارة مهدرجة — من آلات المصانع ومحركات السيارات وحتى أجسامنا. تستعرض هذه الدراسة طريقة جديدة لاستعادة جزء صغير من تلك الحرارة وتحويله إلى كهرباء باستخدام شرائط رقيقة ومرنة يمكن طباعتها مثل حبر الصحف. يركّز الباحثون على مادة قليلة الشهرة تُدعى تيلورايد الإنديوم (InTe) ويُظهرون كيف يمكن هندستها وطباعتها لتغذية الأجهزة القابلة للارتداء المستقبلية ومستشعرات لاسلكية صغيرة دون بطاريات.

مادة جديدة لشرائح طاقة مرنة

تعمل معظم المواد عالية الأداء لتحويل الحرارة إلى كهرباء بشكل جيد فقط على هيئة كتل صلبة وهشة وغالية الصنع ويصعب ثنيها. وهذا يجعلها غير مناسبة للملابس الذكية، patchات الرعاية الصحية المثبتة على الجلد، أو أجهزة إنترنت الأشياء المرنة. يختلف InTe: فهو بطبيعته يعوق انتقال الحرارة بشكل جيد، وهو أمر مفيد للأداء الحراري الكهربائي، لكنه من ناحية أخرى موصل كهربائياً ضعيف بمفرده. تتمثل الفكرة المركزية للفريق في تحويل InTe إلى «حبر» قابل للطباعة ثم ضبط تركيبه بعناية ليُرسَم على أفلام بلاستيكية رقيقة، منتجاً مولدات حرارية-كهربائية مرنة تناسب الأسطح المنحنية.

من مسحوق إلى مولد طاقة مطبوع

بدأ الباحثون بمساحيق عالية النقاوة من الإنديوم والتيلوريوم والبزموت والسيلينيوم. قاموا أولاً بتفاعل هذه المساحيق داخل أنابيب مغلقة عند درجات حرارة عالية لتشكيل كتل صلبة من InTe ونُسخه المخدّرة. ثم طُحنت هذه الكتل إلى جزيئات ناعمة وخلطت مع سائل ومواد رابطة بوليمرية لصنع حبر كثيف. باستخدام عملية طباعة بالشاشة قياسية — مماثلة للطباعة على القمصان — دفعوا هذا الحبر عبر قوالب منقوشة على صفائح بلاستيكية شفافة. تكرار تمريرة الطباعة اثنتي عشرة مرة بنى أفلاماً متساوية السُمك شكلت «أرجل» فعّالة للمولد، ثم رُبطت أقطاب فضية مطبوعة بها. كانت الأجهزة الناتجة شرائط رقيقة وخفيفة، كل منها يحتوي على ثمانية أرجل صغيرة مرتبة على التوالي لتوليد جهد مفيد من فرق درجة الحرارة.

ضبط دقيق للمادة من الداخل إلى الخارج

للحصول على طاقة أكبر من InTe، عدل الفريق تركيبته الداخلية بخفة عبر «التعايش» مع البزموت (Bi) والسيلينيوم (Se). باستبدال بعض ذرات الإنديوم بذرات بزموت أكبر وباستبدال جزء صغير من التيلوريوم بالسيلينيوم، غيّروا طريقة تحرك الناقلات الشحنيّة في المادة. أظهرت قياسات الأشعة السينية أن هذا المعالجة كبّرت حبيبات البلورة وقلّلت العيوب الهيكلية، بينما كشفت الميكروسكوبية الإلكترونية أن الأفلام المطبوعة أصبحت أكثر كثافة واستمرارية. أكدت الاختبارات الكهربائية النتيجة: أظهر أفضل تركيب، الموسوم In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃، ناقلات شحنة أكثر حركة ومعامل سيبك أكبر بكثير (جهد أنتجه لكل درجة من فرق الحرارة). عند فرق درجة حرارة مقداره 100 درجة، أنتج هذا الفيلم المُحسَّن حوالي 195 ميليفولت وحوالي 29.45 نانowatt من القدرة — أي ما يقارب 30 ضعف InTe غير المخدّر.

تعزيز الأداء باستخدام وصلة ذكية

حتى مع تحسين InTe، رصد الفريق فرصة إضافية: إضافة مادة ثانية لخلق موصلات داخلية صغيرة توجه التيار بكفاءة أكبر. مزجوا ثاني أكسيد المنجنيز (MnO₂)، الذي يتصرف كموصل من النوع n، أي مع قطبية معاكسة لـ InTe من النوع p. حيث يلتقي هذان المادتان تتشكل وصلات p–n، تعمل كمنحدرات مدمجة لفصل وتوجيه الناقلات الشحنيّة. كان لهذا الجهاز المركّب جهد أقل من أفضل عينة متعايشة لكن مقاومته الداخلية كانت أصغر بكثير، ما سمح بتدفق تيار أسهل. ونتيجة لذلك، سلّم جهاز In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃/MnO₂ حوالي 48.41 نانowatt عند نفس فرق 100 درجة — أي نحو 1.6 ضعف القدرة، بفضل مسارات توصيل أفضل عبر الفيلم.

جاهز للانحناء والمرونة والاستمرار في العمل

بالنسبة لأجهزة القابلة للارتداء في العالم الحقيقي، قد تكون الليونة والمتانة مهمة بقدر الأداء الكهربائي. لذا محددوا الاختبار ثنوا الأجهزة المطبوعة مراراً ليروا إن كانت ستتشقق أو تفقد وظيفتها. عند ثنيها بزوايا تصل إلى 120 درجة وتكرار ذلك 500 مرة، تغيرت مقاومتها الكهربائية بنحو 2 في المئة فقط، مما يشير إلى أن الأفلام بقيت ملتصقة جيداً بالبلاستيك وأن بنية المادة الداخلية ظلت سليمة. رغم أن مستويات القدرة المطلقة لا تزال في مدى النانowatt وليست جاهزة بعد لتشغيل أجهزة ذات استهلاك عالٍ للطاقة، إلا أنها تقارن جيداً مع أجهزة حرارية-كهربائية مرنة مبكرة أخرى في الأدبيات العلمية.

ماذا يعني ذلك للتقنية اليومية

بعبارات بسيطة، تبيّن هذه الدراسة أن مادة غير شائعة نسبياً، InTe، يمكن تحويلها إلى حبر قابل للطباعة منخفض التكلفة لشرائط حصاد الحرارة المرنة. من خلال ضبط تركيبها الذري بالبزموت والسيلينيوم، ثم إضافة MnO₂ لخلق وصلات داخلية ذكية، حسّن الباحثون بشكل كبير كفاءة تحويل فروق الحرارة إلى كهرباء — من دون التضحية بالمرونة. ومع مزيد من تحسين الحبر وتصاميم الأجهزة، قد تُنسَج أفلام حرارية-كهربائية مطبوعة مماثلة يوماً ما في الملابس، أو تُلف حول الأنابيب، أو تُثبت على الآلات وجسم الإنسان لاقتناص كميات صغيرة لكن مستمرة من الطاقة المهدرة.

الاستشهاد: Shankar, M., Prabhu, A. & Nayak, R. Unveiling InTe for flexible thermoelectric applications with enhanced performance via Bi/Se co-doping and MnO₂ integration. Sci Rep 16, 5597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35782-1

الكلمات المفتاحية: حراريات كهربائية مرنة, حصاد حرارة النفايات, إلكترونيات قابلة للطباعة, طاقة قابلة للارتداء, تيلورايد الإنديوم