پژوهشگران ژاپنی یک دستگاه ترموالکتریک یا گرمابرقی ارگانیک گسترش داده‌اند که می‌تواند از دمای اتاق برق تشکیل کند. دستگاه‌های ترموالکتریک امروز کاربردهای بسیاری دارند، اما موانعی برای به‌کارگیری کامل آن‌ها وجود دارد. این دستگاه تازه با منفعت گیری از توانمندیهای بی همتا مواد ارگانیک، در دمای اتاق و بدون نیاز به گرادیان دمایی برق تشکیل می‌کند.

دستگاه‌های گرمابرقی، یا ژنراتورهای ترموالکتریک، مجموعه‌ای از مواد برق‌ساز می باشند که در وجود یک گرادیان دمایی (شرایطی که یک سمت دستگاه خنک و سمت دیگر گرم است)، گرما را به برق تبدیل می‌کنند. این دستگاه‌ها به علت توانمندیشان در تشکیل برق از انرژی هدررفته دستگاه‌های دیگر، نوشته تحقیقات تعداد بسیاری بوده‌اند.

مشهورترین کاربرد ژنراتورهای ترموالکتریک در کاوشگرهای فضا، همانند مریخ‌نورد کنجکاوی و فضاپیمای وویجر، بوده است. این ماشین‌ها برق خود را از ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ فراهم می‌کنند که در آن‌ها گرمای ایزوتوپ‌های رادیواکتیو گرادیان دمایی موردنیاز برای تشکیل برق را فراهم می‌کند.

اما به علت مشکلاتی شامل هزینه تشکیل بالا، منفعت گیری از مواد خطرناک، راندمان انرژی پایین و لزوم وجود دماهای نسبتاً بالا، دستگاه‌های ترموالکتریک کاربرد گسترده‌ای ندارند.

پژوهشگران مطالعه حاضر، از دانشگاه کیوشو ژاپن، به‌ جستوجو راه‌هایی برای ساخت دستگاه‌های گرمابرقی‌ای بودند که از دمای اتاق برق تشکیل می‌کنند. آن‌ها روی ترکیبات ارگانیکی متمرکز بودند که انرژی را به سادگی بین خود جابجا می‌کنند. یکی از مثالهای خوب کاربرد این مواد ارگانیک، فناوری‌های OLED و سلول‌های خورشیدی ارگانیک می باشند.

دستگاه ترموالکتریکی که در دمای اتاق برق تشکیل می‌کند

کلید کار دانشمندان، یافتن ترکیباتی می بود که زمان انتقال بار در رابط‌ها به‌خوبی عمل می‌کنند. یعنی آن‌ها جستوجو موادی بودند که به سادگی الکترون‌ها را بین خود رد و بدل می‌کردند. تیم پژوهشی سپس از آزمایش مواد گوناگون، دو ترکیب مناسب اشکار کرد: فتالوسیانین مس (CuPc) و فتالوسیانین هگزا-دکا-فلوئورو مس (F_۱۶CuPc).

آن‌ها برای بهبود قابلیت ترموالکتریک این رابط تازه، از فولرن‌ها و باتوکوپروین‌ها (Bathocuproine – BCP) نیز منفعت گیری کردند. این مواد تسهیل‌کننده‌های حرکت الکترون می باشند و اضافه کردن آن‌ها قوت دستگاه را به مقدار قابل‌توجهی افزایش داد. در نهایت، دانشمندان به یک دستگاه بهینه رسیدند که از یک لایه ۱۸۰ نانومتری CuPc، یک لایه ۳۲۰ نانومتری F_۱۶CuPc، یک پوشش ۲۰ نانومتری فلورن و یک پوشش ۲۰ نانومتری BCP راه اندازی می‌بشود.

این دستگاه بهینه ولتاژ مدارباز ۳۸۴ میلی‌ولت، چگالی جریان مداربسته ۱.۱ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع و ماکزیمم خروجی ۹۴ نانو-وات بر سانتی‌متر مربع داشت. به‌علاوه، همه این نتایج در دمای اتاق و بدون منفعت گیری از گرادیان دمایی حاصل شدند.

در سال‌های تازه پیشرفت‌های قابل‌توجهی در عرصه گسترش دستگاه‌های گرمابرقی حاصل شده‌اند و این دستگاه ارگانیک تازه، که از دمای اتاق برق تشکیل می‌کند، قطعاً به پیشرفت‌های زیاد تر در این حوزه منجر می‌بشود.

دانشمندان تصمیم دارند کار خود را روی این دستگاه ادامه دهند و ببینند آیا می‌توانند آن را با مواد متغیری بهینه کنند یا نه. آن‌ها احتمالا حتی بتوانند با افزایش مساحت دستگاه به یک چگالی جریان بالاتر برسند که برای مواد ارگانیک بی‌سابقه است. این دستاورد مشخص می کند که مواد ارگانیک چه قابلیت‌های شگفت‌انگیزی دارند.

پژوهشگران نتایج کار خود را در ژورنال Nature Communications انتشار کرده‌اند.