Ny polymerblandning ger superkänslig värmesensor

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik har fått fram en superkänslig värmesensor, böjbar, transparent och tryckbar. Resultatet öppnar för applikationer inom alltifrån sårläkning och elektronisk hud till smarta byggnader. Resultatet har publicerats i Nature Communications.

Den superkänsliga värmesensorn bygger på det faktum att vissa material är termoelektriska. Att ett material är termoelektriskt betyder att en temperaturskillnad mellan två sidor av materialet får elektroner att röra sig från den kalla sidan mot den varma och en spänning uppstår. Dock har forskarna i det här fallet fått fram ett termoelektriskt material som leder joner istället för elektroner och där effekten är hundrafalt större.

I ett termoelektriskt material som leder elektroner handlar det om 100 µV/K (mikrovolt per grad Kelvin) att jämföra med det nya material där effekten är 10 mV/K. Det betyder att signalen blir 100 gånger starkare och att även en liten temperaturskillnad ger en stark signal.

Resultatet från forskningen, utförd av forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet, Chalmers tekniska högskola, Stuttgart Media University och University of Kentucky, har publicerats i Nature Communications.

Dan Zhao, biträdande universitetslektor vid Linköpings universitet, och en av tre huvudförfattare till artikeln, har hittat fram till det nya materialet, en elektrolyt som består av en gel av olika jonledande polymerer. Den består dels av polymerer som är av p-typ, som leder positivt laddade joner, som är väl kända sedan tidigare. Men hon har även hittat en starkt jonledande polymergel av n-typ, som leder negativt laddade joner, något som det tidigare varit en stor brist på.

Med hjälp av tidigare resultat från forskningen kring elektrolyter för tryckt elektronik har forskarna nu fått fram världens första tryckta jonledande termoelektriska modul. Modulen består av sammankopplade n- och p-ben och där antalet anslutningar - ben - avgör hur stark signalen blir. Med screentryck har forskarna tillverkat en ultrakänslig värmesensor som baseras på de olika och kompletterande polymergelerna. Värmesensorn har förmågan att omvandla en liten temperaturskillnad till en stark signal - med 36 sammankopplade ben ger en temperaturskillnad på 1 K en spänning på 0,333 volt.

– Materialet är transparent, mjukt och böjligt och kan användas i en superkänslig produkt som kan tryckas och därmed användas för stora ytor. Applikationer finns inom sårläkning, i ett förband som visar hur läkningsprocessen framskrider, eller för elektronisk hud, säger Dan Zhao.

En annan tänkbar applikation är för temperaturväxling i smarta byggnader.

Huvudförfattare till artikeln i Nature Communications är förutom Dan Zhao även Simone Fabiano, forskningsledare inom organisk nanoelektronik och Xavier Crispin, professor i organisk elektronik, alla tre vid Laboratoriet för organisk elektronik, campus Norrköping.

Forskningen finansieras av bland andra Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, projektet ”Tail of the sun”, Stiftelsen Strategisk forskning, Vetenskapsrådet och Vinnova.

Polymer gels with tunable ionic Seebeck coefficient for ultra-sensitive printed thermopiles Dan Zhao, Anna Martinelli, Andreas Willfahrt, Thomas Fischer, Diana Bernin, Zia Ullah Khan, Maryam Shahi, Joseph Brill, Magnus P. Jonsson, Simone Fabiano, Xavier Crispin. Nature Communications 2019, doi 10.1038/s41467-019-08930-7

Kontakt

Simone Fabiano, simone.fabiano@liu.se, 011 36 36 33

Xavier Crispin, xavier.crispin@liu.se, 011 36 34 85

Dan Zhao, dan.zhao@liu.se, 011 36 30 16

Läs mer på LiU:s forskningswebb