Nieuwe strategie om de thermische elektrische prestaties van organische materialen met lage elektrische geleidbaarheid te verhogen

Lichaamswarmte omzetten in alledaagse energie

Stel je voor dat je kleine apparaten kunt opladen door alleen een licht pleistertje op je huid te dragen. Deze studie onderzoekt een nieuw soort flexibel materiaal dat lichaamswarmte veel efficiënter in elektriciteit kan omzetten dan de meeste tot nu toe gebruikte organische materialen. Het werk wijst op energiebronnen die rechtstreeks in kleding, gezondheidssensoren of slimme bril kunnen worden ingebouwd zonder omvangrijke batterijen.

Waarom het winnen van lichaamswarmte moeilijk is

Thermo-elektrische materialen genereren een spanning wanneer de ene zijde warmer is dan de andere. Om bruikbaar te zijn, moeten ze drie eigenschappen tegelijk in balans houden: hoe goed ze elektriciteit geleiden, hoe sterk ze reageren op een temperatuurverschil, en hoe makkelijk warmte door ze heen lekken. Veel kunststoffen en organische films zijn aantrekkelijk omdat ze flexibel zijn en van nature warmte blokkeren, maar ze geleiden meestal slecht elektriciteit. Wanneer onderzoekers proberen de elektrische geleidbaarheid te verhogen door ladingsdragers toe te voegen, verliezen ze vaak de sterke spanningsrespons die ze in de eerste plaats interessant maakt.

Een speciaal organisch molecuul en kleine oxideclusters

Het team concentreerde zich op films gemaakt van fullerene, een koolstofmolecuul met de vorm van een voetbal, vaak C60 genoemd, en kleine clusters van molybdeensoxide. Eerder werk had aangetoond dat deze combinatie fullerene-films een zeer grote spanningsrespons kan geven terwijl hun elektrische geleidbaarheid iets omhoog wordt gebracht. In de nieuwe studie stemden de onderzoekers zorgvuldig af hoeveel oxide ze toevoegden en hoe ze de films na groei verwarmden. Het doel was de spanningsrespons enorm te houden en tegelijk de elektrische geleidbaarheid in een optimaal bereik te houden dat ongewenst warmteverlies door elektronen beperkt.

Met zachte warmte de prestaties afstemmen

Door de composietfilms langzaam te verwarmen ontdekten de onderzoekers dat de elektrische geleidbaarheid en de spanningsrespons in tegengestelde richting bewegen, maar op een nuttige manier. Terwijl de films bij matige temperaturen worden geannealed, daalt de geleidbaarheid met meer dan een orde van grootte, terwijl de spanningsrespons vijf tot zeven keer kan toenemen. De sleutel ligt in hoe de oxideclusters hun chemische toestand veranderen en hoeveel gaten of elektronen ze aan de fullerene doneren. Gedetailleerde metingen van de filmstructuur, infrarode respons en uitgestoten gassen toonden aan dat er een milde chemische reductie plaatsvindt, vergezeld van de afgifte van kooldioxide, zonder dat de film of zijn flexibele korrelstructuur wordt vernietigd.

Rekordefficiëntie in een zacht film

Uit deze afgestemde films stak één samenstelling er bijzonder uit. Een fullerene-film met een kleine hoeveelheid oxide bereikte een powerfactor van ongeveer 1,1×10⁻³ watt per meter per kelvin kwadraat bij kamertemperatuur, ondanks dat de elektrische geleidbaarheid erg laag bleef. Omdat de door elektronen gedragen warmte dan vrijwel verwaarloosbaar is, werd de algemene efficiëntie-indicator, zT genoemd, geschat op 0,81. Voor organische thermoelectrische materialen is dit, naar de kennis van de auteurs, de hoogste gerapporteerde waarde bij kamertemperatuur en nadert het wat als praktisch voor echte apparaten wordt beschouwd.

Wat dit betekent voor draagbare energie

De studie toont aan dat het, in plaats van steeds hogere elektrische geleidbaarheid na te jagen, slimmer kan zijn om de prestaties in het lage-geleidbaarheidsbereik te maximaliseren door een enorme spanningsrespons te behouden. Zorgvuldig gekozen metaaloxide-nanoclusters fungeren als een soort instelknop die bepaalt hoe ladingen door de organische film bewegen wanneer die zachtjes wordt verwarmd. Deze strategie biedt een nieuwe route naar zachte, efficiënte thermoelectrische lagen die over grote oppervlakken kunnen worden geprint en in comfortabele draagbare generatoren kunnen worden ingebouwd die alleen op de warmte van het menselijk lichaam draaien.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: thermo-elektrische materialen, organische elektronica, fullerene, draagbare energieopwekking, nanocomposieten