Una investigación innovadora publicada en Science y dirigida por la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur (SUSTech) descubrió que la gelatina podría usarse para alimentar dispositivos en el futuro, utilizando solo el calor generado por el cuerpo humano.
El profesor asociado Weishu Liu (MSE, SUSTech) ha dirigido su equipo de investigación, en colaboración con el profesor Gang Chen del Departamento de Ingeniería Mecánica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), para desarrollar un dispositivo portátil de prueba alimentado por gelatina. El artículo fue publicado en la revista académica Science bajo el título Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature (Termoenergía gigante de gelatina iónica próxima a la temperatura ambiente).
Nuevos materiales termoeléctricos
La mayoría de los materiales termoeléctricos son semiconductores inorgánicos que requieren metales nobles o tecnología de procesamiento. Los investigadores se han centrado en la exploración de nuevos materiales termoeléctricos cerca de la temperatura ambiente, que utilizan el efecto Seebeck para convertir la energía térmica en energía eléctrica. El uso de dispositivos termoeléctricos electrónicos autoalimentados requiere la integración de miles o incluso decenas de miles de pequeños elementos termoeléctricos de 10 a 100 micras, o incluir un amplificador de voltaje CC-CC con un costo de la densidad de potencia de salida.
Antes del desafío de igualación de voltaje, Weishu Liu pidió una exploración para «ir más allá de Seebeck» al considerar el uso de iones y el dominio eléctrico como un portador de energía u otros mecanismos nuevos para resolver este desafío de aplicación termoeléctrica.
La investigación es resultado de muchos años de arduo trabajo. La gelatina en cuestión es una sustancia de alto peso molecular que se encuentra en los huesos, la cual es buscada por los chefs en una amplia gama de cocinas, a la vez que es una materia prima esencial para varias aplicaciones industriales.
Figura 1. Energía termoeléctrica gigante de materiales termoeléctricos iónicos (i-TE). (A) Materiales i-TE de Gelatina-x KCl-m / n FeCN4- / 3- (x es KCl ym / n son concentraciones molares de K4Fe (CN) 6 / K3Fe (CN) 6, respectivamente) en este trabajo como Gelatina (x = 0 M, m / n = 0 M), Gelatina-FeCN4- / 3- (x = 0 M, m / n = 0.42 / 0.25 M), Gelatina-KCl (x = 0.8 M, m / n = 0 M) y Gelatina-KCl-FeCN4- / 3- (x = 0.8 M, m / n = 0.42 / 0.25 M, relación de volumen de agua a gelatina rv = 2.0 y 3.0). (B) Potencia térmica absoluta de los materiales i-TE que contienen el efecto de termodifusión o el efecto termogalvánico.
El equipo de investigación propuso originalmente que un gel iónico cuasi sólido podría lograr un efecto potencial termoeléctrico gigante al combinar el efecto de la entropía difusa de iones y la entropía de reacción de la pareja redox (reacción de reducción-oxidación química). Alcanzaron una potencia termoeléctrica de 17,0 mV K-1 en material termoeléctrico iónico de estado cuasi sólido, que es casi dos órdenes de magnitud más alta que la típica termoeléctrica electrónica.
Generando energía con el cuerpo humano
El equipo de investigación reunió veinticinco unidades para representar un dispositivo de prueba de concepto. Cada unidad se ensambló en un dispositivo portátil flexible, utilizando un cuerpo humano para obtener energía. Los investigadores pudieron lograr un voltaje de hasta 2.2 voltios (V) y una potencia de salida máxima de 5 μW. Si bien eso parece pequeño, puede controlar los sensores de la mayoría de los dispositivos de Internet de las cosas.
Weishu Liu ha dicho que «el descubrimiento experimental del efecto termoeléctrico gigante nos trajo alegría, y luego muchas preguntas. El profesor Gang Chen nos proporcionó las pautas esenciales para responder a cada pregunta una por una. También nos permitió darnos cuenta de la verdad sobre de la investigación: nunca abandones tu investigación, ya que se trata de tu sueño. Debes seguir buscando hasta que obtengas la verdad, para encontrar nuevos conocimientos«.
Más información: Cheng-Gong Han et al. Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature, Science (2020). DOI: 10.1126/science.aaz5045
