Co by było, gdybyś mógł uruchomić klimatyzator nie na konwencjonalnej energii elektrycznej, ale na słońcu podczas ciepłego letniego dnia? Dzięki postępowi w technologii termoelektrycznej to zrównoważone rozwiązanie może pewnego dnia stać się rzeczywistością.
urządzenia termoelektryczne są wykonane z materiałów, które mogą przekształcać różnicę temperatur w energię elektryczną, bez konieczności używania ruchomych części — jakość, która sprawia, że termoelektryki są potencjalnie atrakcyjnym źródłem energii elektrycznej. Zjawisko to jest odwracalne: jeśli energia elektryczna zostanie przyłożona do urządzenia termoelektrycznego, może wytworzyć różnicę temperatur. Obecnie urządzenia termoelektryczne są używane do zastosowań o stosunkowo małej mocy, takich jak zasilanie małych czujników wzdłuż rurociągów naftowych, zapasowe baterie na sondach kosmicznych i chłodzenie minifridge.
ale naukowcy mają nadzieję zaprojektować mocniejsze urządzenia termoelektryczne, które będą zbierać ciepło — wytwarzane jako produkt uboczny procesów przemysłowych i silników spalinowych — i przekształcić to zmarnowane ciepło w energię elektryczną. Jednak sprawność urządzeń termoelektrycznych, czy ilość energii, jaką są w stanie wytworzyć, jest obecnie ograniczona.
teraz naukowcy z MIT odkryli sposób na trzykrotne zwiększenie tej wydajności, wykorzystując materiały „topologiczne”, które mają unikalne właściwości elektroniczne. Podczas gdy wcześniejsze prace sugerowały, że materiały topologiczne mogą służyć jako wydajne systemy termoelektryczne, niewiele wiadomo o tym, jak elektrony w takich materiałach topologicznych poruszałyby się w odpowiedzi na różnice temperatur w celu wytworzenia efektu termoelektrycznego.
w artykule opublikowanym w tym tygodniu w Proceedings of the National Academy of Sciences naukowcy z MIT identyfikują podstawową właściwość, która sprawia, że niektóre materiały topologiczne są potencjalnie bardziej wydajnym materiałem termoelektrycznym w porównaniu z istniejącymi urządzeniami.
„odkryliśmy, że możemy przesunąć granice tego nanostrukturalnego materiału w sposób, który sprawia, że materiały topologiczne są dobrym materiałem termoelektrycznym, bardziej niż konwencjonalne Półprzewodniki, takie jak krzem”, mówi Te-Huan Liu, postdoc na Wydziale Inżynierii Mechanicznej MIT. „W końcu może to być sposób czystej energii, który pomoże nam wykorzystać źródło ciepła do wytwarzania energii elektrycznej, co zmniejszy uwalnianie dwutlenku węgla.”
Liu jest pierwszym autorem dokumentu PNAS, który obejmuje studentów Jiawei Zhou, Zhiwei Ding i Qichen Song; Mingda Li, adiunkt w Katedrze Nauk jądrowych i Inżynierii; były student Bolin Liao, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara; Liang Fu, profesor nadzwyczajny fizyki w Biedenharn; i Gang Chen, profesor Soderbergu i kierownik Wydziału Inżynierii Mechanicznej.
ścieżka swobodnie podróżuje
gdy materiał termoelektryczny jest wystawiony na gradient temperatury — na przykład jeden koniec jest podgrzewany, podczas gdy drugi jest chłodzony — elektrony w tym materiale zaczynają przepływać z gorącego końca do zimnego końca, generując prąd elektryczny. Im większa różnica temperatur, tym więcej wytwarzany jest prąd elektryczny i tym więcej generowana jest moc. Ilość energii, która może być wygenerowana, zależy od szczególnych właściwości transportowych elektronów w danym materiale.
naukowcy zaobserwowali, że niektóre materiały topologiczne można przekształcić w wydajne urządzenia termoelektryczne poprzez nanostrukturę, technikę stosowaną przez naukowców do syntezy materiału poprzez modelowanie jego cech w skali nanometrów. Naukowcy sądzili, że przewaga termoelektryczna materiałów topologicznych wynika ze zmniejszonej przewodności cieplnej w ich nanostrukturach. Nie jest jednak jasne, w jaki sposób to zwiększenie wydajności łączy się z nieodłącznymi, topologicznymi właściwościami materiału.
aby spróbować odpowiedzieć na to pytanie, Liu i jego koledzy badali wydajność termoelektryczną tellurku cyny, materiału topologicznego, który jest znany jako dobry materiał termoelektryczny. Elektrony w tellurku cyny wykazują również szczególne właściwości, które naśladują klasę materiałów topologicznych znanych jako materiały Diraca.
zespół miał na celu zrozumienie wpływu nanostruktury na wydajność termoelektryczną tellurku cyny, symulując sposób, w jaki elektrony przemieszczają się przez materiał. Aby scharakteryzować transport elektronów, naukowcy często używają pomiaru zwanego „średnią swobodną ścieżką” lub średnią odległość elektronu z daną energią swobodnie przemieszcza się w materiale, zanim zostanie rozproszony przez różne obiekty lub defekty w tym materiale.
nanostrukturalne materiały przypominają mozaikę maleńkich kryształków, z których każdy ma granice, znane jako granice ziaren, które oddzielają jeden kryształ od drugiego. Kiedy elektrony napotykają te granice, mają tendencję do rozpraszania się na różne sposoby. Elektrony o długich średnich wolnych ścieżkach będą rozpraszać się silnie, jak pociski odbijające się od ściany,podczas gdy elektrony o krótszych średnich wolnych ścieżkach są znacznie mniej dotknięte.
w swoich symulacjach naukowcy odkryli, że charakterystyka elektronów tellurku cyny ma znaczący wpływ na ich średnie wolne drogi. Wykreślili zakres energii elektronów tellurku cyny w stosunku do powiązanych średnich wolnych ścieżek i odkryli, że uzyskany Wykres wyglądał zupełnie inaczej niż w przypadku większości konwencjonalnych półprzewodników. W szczególności, w przypadku tellurku cyny i ewentualnie innych materiałów topologicznych, wyniki sugerują, że elektrony o wyższej energii mają krótszą średnią wolną ścieżkę, podczas gdy elektrony o niższej energii zwykle mają dłuższą średnią wolną ścieżkę.
zespół następnie przyjrzał się, w jaki sposób te właściwości elektronowe wpływają na wydajność termoelektryczną tellurku cyny, zasadniczo podsumowując wkład termoelektryczny elektronów o różnych energiach i średnich wolnych ścieżkach. Okazuje się, że zdolność materiału do przewodzenia elektryczności lub generowania przepływu elektronów, pod gradientem temperatury, jest w dużej mierze zależna od energii elektronów.
w szczególności odkryli, że elektrony o niższej energii mają zwykle negatywny wpływ na generowanie różnicy napięcia, a tym samym prądu elektrycznego. Te niskoenergetyczne elektrony mają również dłuższe średnie wolne ścieżki, co oznacza, że mogą być rozpraszane przez granice ziaren intensywniej niż elektrony o wyższej energii.
Wymiarując
idąc o krok dalej w swoich symulacjach, zespół bawił się wielkością pojedynczych ziaren tellurku cyny, aby sprawdzić, czy ma to jakikolwiek wpływ na przepływ elektronów pod gradientem temperatury. Odkryli, że kiedy zmniejszyli średnicę przeciętnego ziarna do około 10 nanometrów, zbliżając jego granice do siebie, zaobserwowali zwiększony udział elektronów o wyższej energii.
oznacza to, że przy mniejszych rozmiarach ziaren, elektrony o wyższej energii przyczyniają się znacznie bardziej do przewodzenia elektrycznego materiału niż elektrony o niższej energii, ponieważ mają krótsze średnie wolne ścieżki i są mniej podatne na rozproszenie w granicach ziaren. Powoduje to większą różnicę napięcia, która może być generowana.
Co więcej, Naukowcy odkryli, że zmniejszenie średniej wielkości ziarna tellurku cyny do około 10 nanometrów wytwarzało trzykrotnie więcej energii elektrycznej niż materiał wytwarzałby przy większych ziarnach.
Liu mówi, że podczas gdy wyniki są oparte na symulacjach, naukowcy mogą osiągnąć podobną wydajność poprzez syntezę tellurku cyny i innych materiałów topologicznych oraz dostosowanie ich wielkości ziarna przy użyciu techniki nanostruktury. Inni badacze sugerują, że zmniejszenie wielkości ziarna materiału może zwiększyć jego wydajność termoelektryczną, ale Liu twierdzi, że w większości zakładali, że idealny rozmiar byłby znacznie większy niż 10 nanometrów.
„w naszych symulacjach odkryliśmy, że możemy zmniejszyć rozmiar ziarna materiału topologicznego o wiele bardziej niż wcześniej sądzono, i opierając się na tej koncepcji, możemy zwiększyć jego wydajność”, mówi Liu.
telluryd cyny jest tylko jednym z przykładów wielu materiałów topologicznych, które nie zostały jeszcze zbadane. Jeśli naukowcy mogą określić idealny rozmiar ziarna dla każdego z tych materiałów, Liu mówi materiały topologiczne mogą wkrótce być realną, bardziej wydajną alternatywą dla produkcji czystej energii.
„myślę, że materiały topologiczne są bardzo dobre dla materiałów termoelektrycznych, a nasze wyniki pokazują, że jest to bardzo obiecujący materiał do przyszłych zastosowań”, mówi Liu.
badania te były częściowo wspierane przez Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, Energetyczne Centrum badań pionierskich Departamentu Energii USA; oraz Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).