Ваша чашка кофе теперь может заряжать телефон благодаря молекулярному хакингу

Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) разработали метод на основе данных для выбора оптимального растворителя при создании органических термоэлектрических устройств (OTE) — тонкоплёночных систем, преобразующих рассеянное тепло в электричество.

Модель под названием MFDA (molecular-force-driven anisotropy) направляет полимерные молекулы в наиболее проводящее состояние. В экспериментальных испытаниях такая стратегия увеличила производительность устройств в 20 раз, открывая путь к более дешёвым и эффективным источникам энергии. По словам руководителя проекта Дерьи Баран, термогенерация может использоваться везде — от промышленных установок до чашки с кофе — и способна обеспечить автономную подзарядку батарей без подключения к электросети.

В отличие от традиционных неорганических термоэлектриков, основанных на дорогих кристаллах вроде теллурида висмута, органические аналоги можно изготавливать с помощью печатных технологий. Однако эффективность таких систем ограничивалась тем, что длинные полимерные цепочки кристаллизуются беспорядочно. Максимальный ток проходит только через структуры, выровненные «ребром к подложке» (edge-on), что требует сложной обработки: высокотемпературного отжига, механического трения или дорогостоящих методов.

Кроме того, полимерные плёнки должны быть легированы — то есть дополнены веществами, повышающими проводимость. Эти добавки могут разрушить кристаллический порядок, делая процесс ещё более трудоёмким. Чтобы преодолеть эти сложности, команда KAUST создала предсказательную модель, учитывающую растворимость полимера и легирующего агента, температуру кипения растворителя и межмолекулярные взаимодействия. На основе этих параметров алгоритм прогнозирует, сможет ли конкретный растворитель направить молекулы полимера в желаемую ориентацию.

Как объясняет Диего Росас Вийяльва, теперь работа, на которую уходили недели проб и ошибок, может быть заменена расчетами. Это экономит ресурсы и ускоряет разработку.

С помощью MFDA команда исследовала более 10 000 растворителей и выявила лучший вариант для эталонного политиофенового полимера с тремя видами легирующих агентов. Победителем оказался хлорбензол — недорогой лабораторный растворитель, который, по расчётам модели, способствует росту кристаллических доменов в желаемом направлении. Устройства, изготовленные на его основе, превзошли аналоги, созданные с использованием прежнего промышленного стандарта — орто-дихлорбензола — в двадцать раз, без дополнительных этапов обработки.

Исследователи считают, что подход может быть масштабирован и на другие виды органической электроники: от солнечных элементов до гибких транзисторов. Поскольку MFDA связывает макроскопические характеристики устройств с точными молекулярными параметрами, он может стать универсальным инструментом настройки транспортных свойств во всевозможных мягких материалах.

По мнению Дерьи Баран, выравнивание молекул — ключевой фактор для любой органической электроники. И теперь у разработчиков есть алгоритм, который показывает, как управлять этим процессом и делать устройства лучше.