Hva Om du kunne kjøre klimaanlegget ditt ikke på konvensjonell strøm, men på solens varme i løpet av en varm sommerdag? Med fremskritt innen termoelektrisk teknologi kan denne bærekraftige løsningen en dag bli en realitet.Termoelektriske enheter Er laget av materialer som kan konvertere en temperaturforskjell til elektrisitet uten å kreve noen bevegelige deler — en kvalitet som gjør termoelektriske enheter til en potensielt tiltalende strømkilde. Fenomenet er reversibelt: hvis elektrisitet påføres en termoelektrisk enhet, kan den gi en temperaturforskjell. I dag brukes termoelektriske enheter til relativt lavt strømforbruk, for eksempel å drive små sensorer langs oljerørledninger, sikkerhetskopiere batterier på romprober og kjøle minifridges.Men forskere håper å designe kraftigere termoelektriske enheter som vil høste varmeprodusert som et biprodukt av industrielle prosesser og forbrenningsmotorer — og slå den ellers bortkastede varmen til elektrisitet. Effektiviteten til termoelektriske enheter, eller mengden energi de kan produsere, er imidlertid begrenset.nå har forskere ved MIT oppdaget en måte å øke effektiviteten tredoblet, ved hjelp av «topologiske» materialer, som har unike elektroniske egenskaper. Mens tidligere arbeid har antydet at topologiske materialer kan tjene som effektive termoelektriske systemer, har det vært liten forståelse for hvordan elektroner i slike topologiske materialer ville reise som svar på temperaturforskjeller for å produsere en termoelektrisk effekt.i et papir publisert denne uken i Proceedings of National Academy Of Sciences, identifiserer mit-forskerne den underliggende egenskapen som gjør visse topologiske materialer til et potensielt mer effektivt termoelektrisk materiale sammenlignet med eksisterende enheter.»Vi har funnet ut at vi kan presse grensene for dette nanostrukturerte materialet på en måte som gjør topologiske materialer til et godt termoelektrisk materiale, mer enn konvensjonelle halvledere som silisium,» sier Te-Huan Liu, en postdoktor i Mits Institutt for Maskinteknikk. «Til slutt kan dette være en ren energi måte å hjelpe oss med å bruke en varmekilde for å generere elektrisitet, noe som vil redusere utslipp av karbondioksid.»Liu er førsteforfatter AV pnas-papiret, som inkluderer studenter Jiawei Zhou, Zhiwei Ding Og Qichen Song; Mingda Li, assisterende professor I Institutt For Kjernefysisk Vitenskap og Ingeniørfag; tidligere kandidatstudent Bolin Liao, nå assisterende professor ved University Of California I Santa Barbara; Liang Fu, Biedenharn Lektor I Fysikk; Og Gang Chen, Soderberg Professor og leder Av Institutt For Maskinteknikk.når et termoelektrisk materiale blir utsatt for en temperaturgradient — for eksempel blir den ene enden oppvarmet, mens den andre avkjøles — begynner elektroner i det materialet å strømme fra den varme enden til den kalde enden, og genererer en elektrisk strøm. Jo større temperaturforskjellen er, desto mer elektrisk strøm produseres, og jo mer kraft genereres. Mengden energi som kan genereres avhenger av de spesielle transportegenskapene til elektronene i et gitt materiale.Forskere har observert at noen topologiske materialer kan gjøres om til effektive termoelektriske enheter gjennom nanostrukturering, en teknikk forskere bruker til å syntetisere et materiale ved å mønstre dets egenskaper på skalaen av nanometer. Forskere har trodd at topologiske materialers termoelektriske fordel kommer fra redusert termisk ledningsevne i deres nanostrukturer. Men det er uklart hvordan denne forbedringen i effektivitet forbinder med materialets iboende, topologiske egenskaper.For å prøve å svare på dette spørsmålet, Studerte Liu Og hans kolleger den termoelektriske ytelsen til tinn telluride, et topologisk materiale som er kjent for å være et godt termoelektrisk materiale. Elektronene i tinn telluride også vise særegne egenskaper som etterligner en klasse av topologiske materialer kjent som Dirac materialer.teamet hadde som mål å forstå effekten av nanostrukturering på tinn tellurides termoelektriske ytelse, ved å simulere måten elektroner beveger seg gjennom materialet. For å karakterisere elektrontransport bruker forskere ofte en måling kalt «middelfri bane», eller den gjennomsnittlige avstanden et elektron med en gitt energi ville fritt reise i et materiale før de ble spredt av forskjellige gjenstander eller feil i det materialet.Nanostrukturerte materialer ligner et lappeteppe av små krystaller, hver med grenser, kjent som korngrenser, som skiller en krystall fra en annen. Når elektroner møter disse grensene, har de en tendens til å spre seg på ulike måter. Elektroner med lange middelfrie baner vil spre seg sterkt, som kuler ricocheting av en vegg, mens elektroner med kortere middelfrie baner er mye mindre påvirket.I sine simuleringer fant forskerne at tinn tellurides elektronegenskaper har en betydelig innvirkning på deres gjennomsnittlige frie baner. De plottet tin tellurides utvalg av elektronenergier mot de tilhørende middelfrie banene, og fant at den resulterende grafen så veldig annerledes ut enn de for de fleste konvensjonelle halvledere. Spesielt for tinn telluride og muligens andre topologiske materialer, tyder resultatene på at elektroner med høyere energi har en kortere middelfri bane, mens lavere energielektroner vanligvis har en lengre middelfri bane.teamet så på hvordan disse elektronegenskapene påvirker tin tellurides termoelektriske ytelse, ved å oppsummere de termoelektriske bidragene fra elektroner med forskjellige energier og bety frie baner. Det viser seg at materialets evne til å lede elektrisitet, eller generere en strøm av elektroner, under en temperaturgradient, er i stor grad avhengig av elektronenergien.spesielt fant De at lavere energielektroner har en negativ innvirkning på genereringen av en spenningsforskjell, og derfor elektrisk strøm. Disse lavenergielektronene har også lengre middelfrie baner, noe som betyr at de kan spres av korngrenser mer intensivt enn høyere energielektroner.Går et skritt videre I sine simuleringer, spilte laget med størrelsen på tinn tellurides individuelle korn for å se om dette hadde noen effekt på strømmen av elektroner under en temperaturgradient. De fant at når de reduserte diameteren av et gjennomsnittlig korn til ca 10 nanometer, og førte grensene nærmere sammen, observerte de et økt bidrag fra høyere energielektroner.det vil si at med mindre kornstørrelser bidrar høyere energielektroner mye mer til materialets elektriske ledning enn lavere energielektroner, da de har kortere middelfrie baner og er mindre tilbøyelige til å spre seg mot korngrenser. Dette resulterer i en større spenningsforskjell som kan genereres.i Tillegg fant forskerne at avtagende tinn tellurides gjennomsnittlige kornstørrelse til omtrent 10 nanometer produserte tre ganger så mye strøm som materialet ville ha produsert med større korn.Liu sier At mens resultatene er basert på simuleringer, kan forskere oppnå lignende ytelse ved å syntetisere tinn telluride og andre topologiske materialer, og justere kornstørrelsen ved hjelp av en nanostruktureringsteknikk. Andre forskere har antydet at krymping av materialets kornstørrelse kan øke sin termoelektriske ytelse, Men Liu sier at De stort sett har antatt at den ideelle størrelsen ville være mye større enn 10 nanometer.»i våre simuleringer fant Vi at vi kan krympe et topologisk materialets kornstørrelse mye mer enn tidligere antatt, og basert på dette konseptet kan Vi øke effektiviteten,» Sier Liu.Tin telluride Er bare ett eksempel på mange topologiske materialer som ennå ikke er utforsket. Hvis forskere kan bestemme den ideelle kornstørrelsen for hvert av disse materialene, Sier Liu at topologiske materialer snart kan være et levedyktig, mer effektivt alternativ til å produsere ren energi.»jeg tror topologiske materialer er veldig bra for termoelektriske materialer, og våre resultater viser at dette er et svært lovende materiale for fremtidige applikasjoner,» Sier Liu.denne forskningen ble støttet delvis Av Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, Et Energy Frontier Research Center av US Department Of Energy; Og Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).