物理

エアコンはエネルギーを大量に消費するため、夏場には家電製品の中で電力使用量が第 1 位になります。 現在、東京大学の山田鉄平氏らは、これらのシステムからの廃熱を電気に変換することで空調エネルギー需要の削減に役立つ可能性のある材料を開発しました[1]。 この材料は、自ら発電する必要があるウェアラブルデバイスにも使用できる可能性がある。 「熱を電気に変える技術はまだ初期段階にあります」と山田氏は言う。 「ここで初めて、[ポリマー] 相転移を使用してそれを行いました。」

山田らが使用する素材は、他社が開発した吸水性ポリマー「PNV」と呼ばれる熱応答性ポリマー。 室温の溶液中で、PNV は水を吸い込み、各ポリマー鎖が膨らんだコイルの形状になります。 混合物を約 40 °C 以上に加熱すると、鎖がこの水を排出し、コンパクトな小球に収縮します。

PNV の「コイル - グロビュール」転移は、2 つの材料間の電子の移動を伴う反応である酸化還元反応によっても誘発されます。 合成されたとき、山田氏と彼のグループが使用する PNV の各鎖は正に帯電しており、正味電荷は +2 (PNV2+) です。 この料金はさまざまな方法で 1 つ減らすことができます。 PNV+ は PNV2+ と同じコイル - グロビュール転移を起こしますが、その温度は 40 °C ではなく約 20 °C です。 したがって、30 °C に保たれたサンプル内で酸化還元反応が起こると、電子の移動によって相転移が引き起こされます。

研究チームの計算によれば、この酸化還元によって引き起こされる相転移は、特定の条件下で、電池のようなデバイスで電圧を生成するために使用できることが示されています。 大まかに言えば、プロセスは次のように進みます。 1 つの電極で、小球 PNV+ がその電極に電子を供与します。 この供与により PNV+ が酸化され、PNV2+ に変化して膨らみコイル状になります。 もう一方の電極では、コイル状の PNV2+ が電子を受け取ります。 この作用により、PNV2+ が PNV+ に還元され、ポリマーが小球に収縮します。 その後、このサイクルが繰り返されます。

この反応で電圧が発生するには、電極の温度が異なる必要があります。 この場合、低温電極は PNV+ のコイルからグロビュールへの転移温度のすぐ上の温度、高温電極は PNV2+ のコイルからグロビュールへの転移温度よりもわずかに低い温度である必要があります。 この温度勾配により、デバイス全体にわたるコイルと小球の分布に不均衡が生じ、その結果、電極間の電気化学的電位差が誘発されます。 この違いは、通常のバッテリーであっても、どのシステムでも電圧を生成するための前提条件であるとチームメンバーのHongyao Zhou氏は述べています。 「温度勾配がなければ、相転移が 2 つの電極で均等に起こり、同じ電気化学ポテンシャルを持つため、電圧は得られません。」と彼は付け加えました。

デモンストレーションのために、研究者らは 2 つのプラチナ層から電池を構築し、その間に PNV 混合物を配置しました。 当初、PNV の半分は酸化型 (PNV2+)、半分は還元型 (PNV+) でした。 彼らは、電圧出力を測定しながら、冷電極を 25 °C に設定し、温電極を 25 °C から 45 °C に上昇させました。

研究者らは、50:50 混合物の場合、温度差が 10 °C を超えると電圧出力が突然上昇することを発見しました。 彼らが記録したバッテリーの最大出力は約20ミリボルトで、周氏によれば、この電圧は複数の機器を接続することで増加できるという。 この電圧ジャンプを実現するために必要な温度差は調整可能で、チームが初期混合物における PNV+ と PNV2+ の比率を変更すると、より高い値とより低い値の両方に変化しました。 PNVを、酸化還元反応はするがポリマー鎖が結合していない分子に置き換えた場合、わずかな電圧出力のみが検出された。これは、ポリマーの相転移が実際に発電の背後にあることを示している、とZhou氏は述べている。