Des fibres tissées de nanotubes transforment la chaleur en électricité

D’invisibles petits nanotubes de carbone alignés sous forme de fibres et cousus dans des tissus deviennent un générateur thermoélectrique capable de transformer la chaleur du soleil ou d’autres sources en énergie.

Le laboratoire du physicien Junichiro Kono, de l’université Rice, a mené une action avec des scientifiques de l’université métropolitaine de Tokyo et du Carbon Hub, basé à Rice, pour fabriquer des fibres de nanotubes sur mesure et tester leur potentiel pour des applications à grande échelle.

Leurs expériences à petite échelle ont débouché sur un tissu de coton flexible renforcé par des fibres qui transforme la chaleur en énergie suffisante pour alimenter une LED. Selon eux, ces matériaux pourraient devenir des éléments constitutifs de l’électronique et de la collecte d’énergie dans les fibres et les textiles. Les mêmes fibres de nanotubes pourraient également être utilisées comme dissipateurs de chaleur pour refroidir activement des appareils électroniques sensibles avec une grande efficacité.

Un article sur ce projet est publié dans Nature Communications.

http://www.doi.org/10.1038/s41467-021-25208-z

L’effet semble simple : Si un côté d’un matériau thermoélectrique est plus chaud que l’autre, il produit de l’énergie. La chaleur peut provenir du soleil ou d’autres appareils comme les plaques chauffantes utilisées dans l’expérience sur le tissu. Inversement, l’ajout d’énergie peut inciter le matériau à refroidir le côté le plus chaud.

Jusqu’à présent, aucun assemblage macroscopique de nanomatériaux n’a affiché le « facteur de puissance géant » nécessaire, environ 14 milliwatts par mètre kelvin au carré, que les chercheurs de Rice ont mesuré dans les fibres de nanotubes de carbone.

« Le facteur de puissance indique la densité de puissance que l’on peut obtenir d’un matériau à partir d’une certaine différence de température et d’un certain gradient de température« , a déclaré Natsumi Komatsu, étudiante diplômée de l’université Rice et auteur principal de l’article. Elle note que le facteur de puissance d’un matériau est un effet combiné de sa conductivité électrique et de ce que l’on appelle le coefficient Seebeck, une mesure de sa capacité à transformer les différences thermiques en électricité.

« La conductivité électrique très élevée de cette fibre était l’un de ses principaux attributs« , a déclaré Mme Komatsu.

La source de cette superpuissance est également liée au réglage de l’énergie de Fermi inhérente aux nanotubes, une propriété qui détermine le potentiel électrochimique. Les chercheurs ont pu contrôler l’énergie de Fermi en dopant chimiquement les nanotubes transformés en fibres par le laboratoire de Matteo Pasquali, co-auteur et ingénieur chimiste et biomoléculaire à Rice, ce qui leur a permis de régler les propriétés électroniques des fibres.

Bien que les fibres testées aient été coupées en longueurs centimétriques, M. Komatsu a déclaré qu’il n’y avait aucune raison pour que les dispositifs ne puissent pas utiliser les excellentes fibres de nanotubes du laboratoire de Pasquali qui sont enroulées en longueurs continues. « Quel que soit l’endroit où vous les mesurez, ils ont la même conductivité électrique très élevée« , a-t-elle déclaré. « Le morceau que j’ai mesuré était petit uniquement parce que mon installation n’est pas capable de mesurer 50 mètres de fibre« .

Pasquali est directeur du Carbon Hub, qui encourage l’expansion du développement des matériaux en carbone et de l’hydrogène d’une manière qui change aussi fondamentalement la façon dont le monde utilise les hydrocarbures fossiles.

« Les fibres de nanotubes de carbone ont connu une croissance constante et se révèlent avantageuses dans de plus en plus d’applications« , a-t-il déclaré. « Plutôt que de gaspiller le carbone en le brûlant en dioxyde de carbone, nous pouvons le fixer sous forme de matériaux utiles qui présentent d’autres avantages environnementaux dans la production d’électricité et les transports.« 

Il reste à voir si ces nouvelles recherches déboucheront sur un panneau solaire que vous pourrez jeter dans votre machine à laver, mais M. Kono a reconnu que cette technologie a un potentiel important et varié.

« Les nanotubes existent depuis 30 ans et, sur le plan scientifique, on en sait beaucoup« , a-t-il déclaré. « Mais pour fabriquer des dispositifs concrets, nous avons besoin d’assemblages cristallins ou ordonnés à l’échelle macroscopique. C’est ce type d’échantillons de nanotubes que le groupe de Matteo et le mien peuvent fabriquer, et les possibilités d’applications sont très nombreuses.« 

Légende : un tissu de coton souple renforcé par des fibres de nanotubes de carbone qui transforme la chaleur en suffisamment d’énergie pour alimenter une LED. De tels générateurs thermoélectriques peuvent transformer la chaleur du soleil ou d’autres sources en énergie.

Credit / Jeff Fitlow/Rice University

Les coauteurs de l’article sont Oliver Dewey, Lauren Taylor et Mitchell Trafford, étudiants diplômés de l’université Rice, Geoff Wehmeyer, professeur adjoint d’ingénierie mécanique, ainsi que Yota Ichinose, le professeur Yohei Yomogida et le professeur Kazuhiro Yanagi de l’université métropolitaine de Tokyo.

M. Kono est titulaire de la chaire Karl F. Hasselmann en ingénierie et professeur d’ingénierie électrique et informatique, de physique et d’astronomie, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie. M. Pasquali est titulaire de la chaire A.J. Hartsook d’ingénierie chimique et biomoléculaire et professeur de chimie, de science des matériaux et de nano-ingénierie.

Ces recherches ont été soutenues par le programme scientifique sur l’énergie de base du ministère de l’Énergie, la National Science Foundation, la Robert A. Welch Foundation, la Japan Society for the Promotion of Science, l’armée de l’air américaine et le ministère de la Défense.