Собираемые термоэлектрические блоки Lego для перестраиваемых, самовосстанавливающихся и гибких генераторов энергии

Преобразование тепловых потерь в полезную энергию

Ежедневно огромное количество тепла от автомобильных двигателей, промышленных труб и даже наших тел просто рассеивается в воздухе. Термоэлектрические генераторы могут напрямую превращать это тепло в электричество, но сегодняшние устройства жесткие, хрупкие и практически не подлежат ремонту после образования трещин. В этом исследовании предложен новый подход: маленькие блоки в духе Lego, которые могут сгибаться, восстанавливаться после повреждений и собираться в новые формы, открывая путь к источникам питания, более прочным и значительно более адаптируемым, чем те, что используются сейчас.

Создание энергии из небольших блоков

Вместо одного большого и хрупкого модуля команда разработала отдельные «термоэлектрические блоки Lego». Каждый блок — это автономный элемент, содержащий твердую термоэлектрическую ножку — часть, которая преобразует тепло в электричество — заключённую между мягкими проводящими подушками из специального полимера с частицами серебра. Эти подушечки работают как гибкие электроды и способны снова соединяться друг с другом при прижатии. Соединяя множество таких блоков в массивы, исследователи могут создавать генераторы разных размеров и компоновок, как при строительстве из игрушечных кирпичиков.

Мягкие материалы, которые проводят и самовосстанавливаются

Чтобы блоки были одновременно гибкими и долговечными, исследователи использовали основу, похожую на силикон (по духу близкую к обычной силиконовой резине), которую модифицировали для формирования обратимых связей, позволяющих «исцеляться» после царапин или порезов. В матрицу добавили мелкие серебряные хлопья, чтобы каждая мягкая подушка также проводила электричество и тепло. Испытания показали, что этот композит сохранял структуру и характеристики в течение многих циклов нагрева и охлаждения в пределах типичных рабочих температур, и мог переносить значительный электрический ток, при этом проводя тепло лучше, чем голый полимер. Что особенно важно: при царапине сопротивление почти полностью восстанавливалось в течение нескольких минут, а даже после полного разреза и последующего сжатия при умеренном нагреве способность проводить ток практически полностью возвращалась.

Печать работающих ядер

Сердцем каждого блока является термоэлектрическая ножка на основе соединений висмута и теллура — давно известные материалы для низкотемпературной термоэлектрики. Вместо механической обработки громоздких заготовок команда использовала экструзионную 3D-печать для нанесения паст из тонко измельчённых термоэлектрических частиц. После термообработки эти печатные ножки становились плотными, непрерывными телами с характеристиками, приближающимися к обычным крупномасштабным материалам, при этом внутренняя пористость помогала снижать теплопроводность — что выгодно для генерации энергии. Измерения электрической проводимости, теплопроводности и электронапряжения при температурных градиентах подтвердили, что эти маленькие печатные элементы эффективно собирают небольшие разности температур вблизи комнатной.

Устройства, которые гнутся, растягиваются и разъединяются

После сборки в простые тестовые генераторы блоки прошли суровые механические испытания. Устройства могли изгибаться с радиусом примерно 3,4 миллиметра и растягиваться до 40 процентов деформации, сохраняя электрическое сопротивление и мощность почти без изменений. При царапинах электродов сопротивление временно возрастало, а затем возвращалось близко к исходному значению по мере самовосстановления материала. Ещё более впечатляюще: целые генераторы разрезали на отдельные блоки, а затем снова соединяли — воссозданные устройства выдавали почти те же напряжение и мощность, что и до разъединения, различаясь лишь на несколько процентов. Это показало, что повреждённый генератор можно восстановить без замены всех его частей.

Сборка генераторов, как игрушек

Используя модульную конструкцию, исследователи многократно разбирали и собирали один и тот же набор блоков в разные общие формы. Они создавали генераторы с двумя, четырьмя и шестью парами блоков в простых массивах, а затем переставляли их в U-, V- и W-образные схемы, которые лучше облегают изогнутые или сложные поверхности. Во всех этих конфигурациях, при сохранении последовательного электрического соединения, общее напряжение предсказуемо увеличивалось с числом блоков и оставалось похожим при изменении геометрии. Это означает, что разработчики могут свободно изменять форму генератора, чтобы он подходил к трубе, носимому ремню или индивидуальному устройству, не жертвуя эффективностью.

К кастомизуемым и ремонтопригодным сборщикам тепловой энергии

Проще говоря, это исследование показывает, как превращение термоэлектрических модулей в блоки наподобие Lego может одновременно решить несколько давних проблем. Блоки достаточно гибкие, чтобы прилегать к изогнутым поверхностям, достаточно прочные, чтобы сгибаться и растягиваться, умеют восстанавливаться после порезов и царапин и легко перестраиваются в новые схемы по мере смены потребностей. Хотя каждый отдельный генератор в настоящее время даёт лишь скромную мощность, подход масштабируется: можно добавить больше блоков для увеличения выхода. Эти самовосстанавливающиеся, перестраиваемые строительные блоки указывают на будущее, в котором генераторы можно собирать, ремонтировать и перекраивать по требованию, а не выбрасывать при появлении трещин или смене назначения.

Цитирование: Kim, K., Park, K., Song, J. et al. Assemblable thermoelectric Lego blocks for reconfigurable, self-healing, and flexible power generators. npj Flex Electron 10, 30 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00534-8

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, гибкая электроника, самовосстанавливающиеся материалы, 3D-печать, сбор энергии