Тепло повсюду вокруг нас. В двигателях наших автомобилей, в процессорах наших компьютеров, в наших промышленных трубопроводах. И большая его часть просто тратится впустую, рассеиваясь в окружающей среде. Там термоэлектрический давно обещали поймать эту потерянную энергию, но всегда сталкивались с фундаментальной дилеммой: как проводить электричество, не проводя при этом тепло?
Теперь команда под руководством Фабиан Гармруди в Лос-Аламосской национальной лаборатории нашли удивительно эффективный ответ. Объединение двух материалов С несовместимыми решеточными структурами, но совместимыми электронными свойствами, команда создала гибрид, который бросает вызов условностям физики материалов. и удваивает термоэлектрическую эффективность. Как? Давайте посмотрим вместе.
Проблема конфликтующих свойств
Эффективные термоэлектрические материалы (твердые полупроводники, преобразующие тепло в электрическую энергию) должны эффективно проводить электричество, сводя к минимуму теплопередачу. Как уже упоминалось, это представляет особую проблему: материалы, которые хорошо проводят электричество, обычно также хорошо проводят тепло.
Как вы объясните Гармруди: «В твердом веществе тепло переносится как подвижными носителями заряда, так и колебаниями атомов в кристаллической решетке». Эта проблема десятилетиями беспокоила исследователей, ограничивая практическое применение этой многообещающей технологии.
В термоэлектрических материалах мы в основном стремимся подавить перенос тепла посредством колебаний решетки, поскольку они не способствуют преобразованию энергии.
Это понимание привело команду к совершенно новому подходу, только что объявлено в пресс-релизе. Вместо того чтобы модифицировать один материал, почему бы не объединить два с взаимодополняющими характеристиками?
Термоэлектрическая интуиция, которая меняет правила игры
Инновация родилась во время исследовательской поездки Гармруди в Цукубе, Япония, при поддержке премии Lions Award и реализованный вНациональный институт материаловедения в рамках своей работы вВенский технический университет.
Под воздействием сильного тепла и давления он сплавил два разных порошка: один из сплава на основе железа с ванадий, тантал e алюминий (Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅), а другой из смеси висмут-сурьма (Би₀.₉Сб₀.₁). Результат? Компактный гибридный материал с действительно многообещающим термоэлектрическим потенциалом: в очередной раз самые элегантные решения рождаются из неожиданных комбинаций.
Особенность этого подхода в том, что два материала не сливаются на атомном уровне. В силу различных химических и механических характеристик висмутово-сурьмяный компонент избирательно накапливается на микрометровых границах раздела кристаллов сплава FeVTaAl. Проще говоря? Представьте себе, что у вас есть два совершенно разных типа кубиков LEGO, которые не могут соединиться. Если попытаться соединить их под давлением и при нагревании, то вместо полного смешивания и сплавления они останутся разделенными. Висмут-сурьма (один тип строительного блока) не смешивается с железным сплавом (другим типом строительного блока), а располагается точно в промежутках между кристаллами железного сплава, создавая микроскопические «пограничные зоны».
Именно в этих пограничных областях происходит волшебство: электроны могут легко переходить из одного материала в другой (хорошая электропроводность), в то время как тепловые колебания блокируются (плохая теплопроводность). Это как фильтр, который пропускает электричество, но блокирует тепло: именно то, что нужно для рекордной термоэлектрической эффективности.
Превышая стандарт 50-х годов
«Это открытие значительно приближает нас к нашей цели — разработке термоэлектрического материала, способного конкурировать с коммерчески доступными соединениями на основе теллурида висмута», — заключает он. Гармруди. «Целенаправленное разделение переноса тепла и заряда позволило команде повысить эффективность материала более чем на 100 процентов".
Теллурид висмута, появившийся в 50-х годах, до сих пор считается эталоном термоэлектрических материалов. Однако новые гибридные материалы обладают важным преимуществом: они значительно более стабильны и более экономичны.
Этот прорыв может кардинально изменить то, как мы используем Интернет вещей, в частности микродатчики и другую миниатюрную электронику. Представьте себе будущее, в котором отработанное тепло промышленных предприятий, транспортных средств и даже человеческого тела можно будет собирать и преобразовывать в полезную электрическую энергию.
Теперь это стало реальной возможностью благодаря новаторскому исследованию, которое бросает вызов ограничениям того, что мы считали возможным в физике материалов.
