Strategia nuova per migliorare le prestazioni termoelettriche di materiali organici a bassa conduttività elettrica

Trasformare il calore corporeo in energia di uso quotidiano

Immagina di ricaricare piccoli gadget semplicemente indossando una patch leggera sulla pelle. Questo studio esplora un nuovo tipo di materiale flessibile che può convertire il calore corporeo in elettricità con un’efficienza molto superiore rispetto alla maggior parte dei materiali organici finora impiegati. Il lavoro indica la possibilità di fonti di alimentazione integrate direttamente nei vestiti, nei sensori per la salute o negli occhiali intelligenti senza batterie ingombranti.

Perché è difficile sfruttare il calore del corpo

I materiali termoelettrici generano una tensione quando un lato è più caldo dell’altro. Per essere utili devono bilanciare tre aspetti contemporaneamente: quanto bene conducono l’elettricità, quanto fortemente rispondono a una differenza di temperatura e quanto facilmente il calore vi passa attraverso. Molte plastiche e film organici sono attraenti perché sono flessibili e naturalmente isolanti dal calore, ma di solito conducono male l’elettricità. Quando i ricercatori cercano di aumentare la conduttività elettrica aggiungendo portatori di carica, spesso perdono la grande risposta di tensione che rende questi materiali interessanti.

Una molecola organica speciale e minuscoli cluster di ossido

Il team si è concentrato su film a base di fullerene, una molecola di carbonio a forma di palla da calcio spesso chiamata C60, e su minuscoli cluster di ossido di molibdeno. Lavori precedenti avevano mostrato che questa combinazione può conferire ai film di fullerene una risposta di tensione molto elevata pur aumentando leggermente la loro conduttività elettrica. Nel nuovo studio i ricercatori hanno regolato con cura la quantità di ossido miscelata e il trattamento termico dopo la deposizione dei film. L’obiettivo era mantenere la risposta di tensione molto alta pur collocando la conduttività elettrica in una zona favorevole che limiti il flusso di calore indesiderato trasportato dagli elettroni.

Usare un riscaldamento delicato per tarare le prestazioni

Riscaldando lentamente i film compositi, i ricercatori hanno scoperto che la conduttività elettrica e la risposta di tensione si muovono in direzioni opposte ma in modo vantaggioso. All’annealing a temperature moderate, la conduttività diminuisce di oltre un ordine di grandezza, mentre la risposta di tensione può aumentare di cinque-sette volte. La chiave sta nel modo in cui i cluster di ossido cambiano il loro stato chimico e in quante lacune o elettroni donano al fullerene. Misure dettagliate della struttura del film, della risposta infrarossa e dei gas emessi hanno mostrato che avviene una lieve riduzione chimica, accompagnata dal rilascio di anidride carbonica, senza distruggere il film né la sua struttura granulare flessibile.

Raggiungere un’efficienza da record in un film morbido

Tra questi film tarati, una composizione in particolare si è distinta. Un film di fullerene contenente una piccola quantità di ossido ha raggiunto un fattore di potenza di circa 1,1×10⁻³ watt per metro per kelvin quadrato a temperatura ambiente, nonostante la sua conduttività elettrica rimanesse molto bassa. Poiché il calore trasportato dagli elettroni è dunque quasi trascurabile, l’indicatore complessivo di efficienza, chiamato zT, è stato stimato arrivare a 0,81. Per i materiali termoelettrici organici, questo è, secondo gli autori, il valore più alto riportato a temperatura ambiente e si avvicina a quanto ritenuto pratico per dispositivi reali.

Cosa significa per l’alimentazione indossabile

Lo studio mostra che, invece di inseguire una conduttività elettrica sempre maggiore, può essere più intelligente massimizzare le prestazioni nell’intervallo di bassa conduttività preservando una grande risposta di tensione. Nanocluster di ossidi metallici scelti con cura agiscono come una sorta di manopola regolabile che determina come si muovono le cariche attraverso il film organico quando viene riscaldato delicatamente. Questa strategia offre una nuova via verso strati termoelettrici morbidi ed efficienti che potrebbero essere stampati su ampia superficie e integrati in generatori indossabili confortevoli alimentati solo dal calore del corpo umano.

Citazione: Nakaya, M., Yamamoto, S., Ogawa, S. et al. Novel strategy for boosting thermoelectric performance of organic materials with low electrical conductivity. Sci Rep 16, 15154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44966-8

Parole chiave: materiali termoelettrici, elettronica organica, fullerene, raccolta energetica indossabile, nanocompositi