การเปลี่ยนความร้อนไปเป็นกระแสไฟฟ้าด้วยดินสอและกระดาษและการนำไปประยุกต์ใช้ในอนาคต
19-07-2019 อ่าน 5,806
(a)แกรไฟต์และ PEDOT-PSS ระบายลงในกระดาษ (b) สัณฐานวิทยาของกระดาษ (c,d) สัณฐานวิทยาของแกรไฟต์บนกระดาษ (e) สเปกตรัม Raman backscattering ของแกรไฟต์ (f,g) สัณฐานวิทยาของ PEDOT-PSS (f) สเปกตรัม Raman backscattering ของ PEDOT-PSS
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b17491
ปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกคือการเปลี่ยนแปลงโดยตรงของความแตกต่างของอุณหภูมิไปเป็นความต่างศักย์ไฟฟ้า หรือในทางกลับกันโดยผ่านเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple หมายถึง คู่ควบความร้อน อุปกรณ์วัดอุณหภูมิ โดยใช้หลักความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายซึ่งต่อกันทั้ง 2 ข้างของโลหะตัวนำ 2 ชนิด ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น)
วัสดุเทอร์มออิเล็กตริก (Thermoelectrics material) หมายถึงวัสดุเปลี่ยนความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยอาศัยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของจุดสองจุด เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากจุดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปจุดที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าทำให้เกิดขั้วไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น ซึ่งทำให้เราสามารถนำพลังงานไฟฟ้ามาใช้ประโยชน์ได้
Viktor V. Brus และคณะได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง “Fine Art of Thermoelectricity” ลงในวารสาร ACS Applied Materials & Interfaces เมื่อวันที่ 16 มกราคม ค.ศ. 2018 โดยได้ใช้ปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกมาสาธิตสร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียบง่ายคือ กระดาษ ดินสอ และพู่กันทาสี เพียงแค่นี้ก็เพียงพอแล้วที่จะเปลี่ยนความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นกระแสไฟฟ้าได้ ปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกนั้นเป็นผลมาจากความร้อนที่หลงเหลือบางส่วนสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ และเราพบว่าระบบทั้งในธรรมชาติและระบบในเทคโนโลยีที่มนุษย์สร้างขึ้น มักจะมีความร้อนที่หลงเหลืออยู่ปล่อยออกมาเสมอแม้แต่ในร่างกายของมนุษย์เอง
วัสดุเทอร์มออิเล็กตริกที่ทำมาจากสารอนินทรีย์และเป็นสารกึ่งตัวนำด้วยเช่น บิสมัทเทลลูไรด์ (bismuth telluride) ถูกนักวิทยาศาสตร์นำมาประยุกต์ใช้ประโยชน์แล้วในปัจจุบัน แต่มันมีราคาที่แพง นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามหาวัสดุชนิดอื่นๆที่ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต ยืดหยุ่นและอาจจะเป็นวัสดุที่อยู่ในกลุ่มคาร์บอน เพื่อมันอาจจะนำไปใช้ประโยชน์ได้แม้กับร่างกายมนุษย์ได้
Viktor V. Brus และคณะได้ทำการวิจัยและแสดงให้เห็นว่ามันง่ายเพียงใดในการนำปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกมาใช้ประโยชน์ โดยดินสอทั่วไปเกรด HB โดยใช้ดินสอเขียนระบายลงบนกระดาษให้เป็นสีดำรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า และต่อมาใช้พู่กันระบายสารชนิดหนึ่งเรียกว่าสาร PEDOT-PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) ซึ่งเป็นสารโพลิเมอร์เฉพาะที่มีสภาพนำไฟฟ้าได้ดี ต่างจากโพลิเมอร์ทั่วไปที่นำไฟฟ้าได้ไม่ดี ระบายเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าถัดกันไป
การใช้ดินสอเขียนระบายลงนี้สร้างความต่างศักย์ได้เมื่อเทียบเท่ากับสารราคาแพงอื่นๆที่ใช้ในวัสดุเทอร์มออิเล็กตริกยืดหยุ่นที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน และความต่างศักย์นี้สามารถเพิ่มได้อีกประมาณ 10 เท่าโดยการเพิ่ม indium selenide ลงในแกรไฟต์ของดินสอ เมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron microscope หรือ SEM) ส่องแกรไฟต์พบว่าบนกระดาษมันก่อตัวอย่างไม่เป็นระเบียบโดยแผ่นแกรไฟต์ กราฟีน ซึ่งสิ่งเหล่านี้เองสามารถลดสภาพความนำไฟฟ้าได้ไม่มากนัก แต่มันลดประสิทธิภาพการขนส่งความร้อนลงอย่างมาก
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b17491
ปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกคือการเปลี่ยนแปลงโดยตรงของความแตกต่างของอุณหภูมิไปเป็นความต่างศักย์ไฟฟ้า หรือในทางกลับกันโดยผ่านเทอร์โมคัปเปิล (Thermocouple หมายถึง คู่ควบความร้อน อุปกรณ์วัดอุณหภูมิ โดยใช้หลักความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายซึ่งต่อกันทั้ง 2 ข้างของโลหะตัวนำ 2 ชนิด ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น)
วัสดุเทอร์มออิเล็กตริก (Thermoelectrics material) หมายถึงวัสดุเปลี่ยนความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยอาศัยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของจุดสองจุด เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากจุดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปจุดที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าทำให้เกิดขั้วไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น ซึ่งทำให้เราสามารถนำพลังงานไฟฟ้ามาใช้ประโยชน์ได้
Viktor V. Brus และคณะได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง “Fine Art of Thermoelectricity” ลงในวารสาร ACS Applied Materials & Interfaces เมื่อวันที่ 16 มกราคม ค.ศ. 2018 โดยได้ใช้ปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกมาสาธิตสร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียบง่ายคือ กระดาษ ดินสอ และพู่กันทาสี เพียงแค่นี้ก็เพียงพอแล้วที่จะเปลี่ยนความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นกระแสไฟฟ้าได้ ปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกนั้นเป็นผลมาจากความร้อนที่หลงเหลือบางส่วนสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ และเราพบว่าระบบทั้งในธรรมชาติและระบบในเทคโนโลยีที่มนุษย์สร้างขึ้น มักจะมีความร้อนที่หลงเหลืออยู่ปล่อยออกมาเสมอแม้แต่ในร่างกายของมนุษย์เอง
วัสดุเทอร์มออิเล็กตริกที่ทำมาจากสารอนินทรีย์และเป็นสารกึ่งตัวนำด้วยเช่น บิสมัทเทลลูไรด์ (bismuth telluride) ถูกนักวิทยาศาสตร์นำมาประยุกต์ใช้ประโยชน์แล้วในปัจจุบัน แต่มันมีราคาที่แพง นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามหาวัสดุชนิดอื่นๆที่ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต ยืดหยุ่นและอาจจะเป็นวัสดุที่อยู่ในกลุ่มคาร์บอน เพื่อมันอาจจะนำไปใช้ประโยชน์ได้แม้กับร่างกายมนุษย์ได้
Viktor V. Brus และคณะได้ทำการวิจัยและแสดงให้เห็นว่ามันง่ายเพียงใดในการนำปรากฏการณ์เทอร์มออิเล็กตริกมาใช้ประโยชน์ โดยดินสอทั่วไปเกรด HB โดยใช้ดินสอเขียนระบายลงบนกระดาษให้เป็นสีดำรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า และต่อมาใช้พู่กันระบายสารชนิดหนึ่งเรียกว่าสาร PEDOT-PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) ซึ่งเป็นสารโพลิเมอร์เฉพาะที่มีสภาพนำไฟฟ้าได้ดี ต่างจากโพลิเมอร์ทั่วไปที่นำไฟฟ้าได้ไม่ดี ระบายเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าถัดกันไป
การใช้ดินสอเขียนระบายลงนี้สร้างความต่างศักย์ได้เมื่อเทียบเท่ากับสารราคาแพงอื่นๆที่ใช้ในวัสดุเทอร์มออิเล็กตริกยืดหยุ่นที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน และความต่างศักย์นี้สามารถเพิ่มได้อีกประมาณ 10 เท่าโดยการเพิ่ม indium selenide ลงในแกรไฟต์ของดินสอ เมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron microscope หรือ SEM) ส่องแกรไฟต์พบว่าบนกระดาษมันก่อตัวอย่างไม่เป็นระเบียบโดยแผ่นแกรไฟต์ กราฟีน ซึ่งสิ่งเหล่านี้เองสามารถลดสภาพความนำไฟฟ้าได้ไม่มากนัก แต่มันลดประสิทธิภาพการขนส่งความร้อนลงอย่างมาก
ความต่างศักย์เป็นฟังก์ชันของความแตกต่างของอุณหภูมิของแกรไฟต์และ PEDOT-PSS ตามลำดับ
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b17491
งานวิจัยนี้อาจจะนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์เป็นองค์ประกอบของวัสดุเทอร์มออิเล็กตริกบนกระดาษไว้ติดร่างกายมนุษย์ให้พลังงานหล่อเลี้ยงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้พลังงานน้อยเช่น เซนเซอร์ หรือนาฬิกา โดยใช้ความร้อนจากร่างกายมนุษย์มาใช้ประโยชน์ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b17491
งานวิจัยนี้อาจจะนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์เป็นองค์ประกอบของวัสดุเทอร์มออิเล็กตริกบนกระดาษไว้ติดร่างกายมนุษย์ให้พลังงานหล่อเลี้ยงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้พลังงานน้อยเช่น เซนเซอร์ หรือนาฬิกา โดยใช้ความร้อนจากร่างกายมนุษย์มาใช้ประโยชน์ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่
เรียบเรียงโดย
ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
อ้างอิง
บทความฟิสิกส์ล่าสุด
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2
29-02-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 1
09-02-2024
