Ce se întâmplă dacă ați putea rula aparatul de aer condiționat nu pe electricitate convențională, ci pe căldura soarelui în timpul unei zile calde de vară? Odată cu progresele în tehnologia termoelectrică, această soluție durabilă ar putea deveni într-o zi o realitate.
dispozitivele termoelectrice sunt fabricate din materiale care pot transforma o diferență de temperatură în energie electrică, fără a necesita părți mobile — o calitate care face din termoelectrice o sursă potențial atrăgătoare de energie electrică. Fenomenul este reversibil: dacă electricitatea este aplicată unui dispozitiv termoelectric, aceasta poate produce o diferență de temperatură. Astăzi, dispozitivele termoelectrice sunt utilizate pentru aplicații cu putere relativ redusă, cum ar fi alimentarea senzorilor mici de-a lungul conductelor de petrol, copierea de rezervă a bateriilor pe sondele spațiale și răcirea minifrigelor.
dar oamenii de știință speră să proiecteze dispozitive termoelectrice mai puternice care să recolteze căldura — produsă ca produs secundar al proceselor industriale și al motoarelor cu combustie — și să transforme căldura altfel irosită în electricitate. Cu toate acestea, eficiența dispozitivelor termoelectrice sau cantitatea de energie pe care o pot produce este în prezent limitată.
acum, cercetătorii de la MIT au descoperit o modalitate de a crește această eficiență de trei ori, folosind materiale „topologice”, care au proprietăți electronice unice. În timp ce lucrările anterioare au sugerat că materialele topologice pot servi ca sisteme termoelectrice eficiente, a existat puțină înțelegere cu privire la modul în care electronii din astfel de materiale topologice ar călători ca răspuns la diferențele de temperatură pentru a produce un efect termoelectric.
într-o lucrare publicată săptămâna aceasta în Proceedings of the National Academy of Sciences, cercetătorii MIT identifică proprietatea de bază care face ca anumite materiale topologice să fie un material termoelectric potențial mai eficient, în comparație cu dispozitivele existente.”am descoperit că putem împinge limitele acestui material nanostructurat într-un mod care face din materialele topologice un material termoelectric bun, mai mult decât semiconductorii convenționali precum siliciul”, spune Te-Huan Liu, postdoc în departamentul de Inginerie Mecanică al MIT. „În cele din urmă, aceasta ar putea fi o modalitate de energie curată pentru a ne ajuta să folosim o sursă de căldură pentru a genera electricitate, ceea ce va reduce eliberarea noastră de dioxid de carbon.”
Liu este primul autor al lucrării PNAS, care include studenți absolvenți Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, și Qichen Song, Mingda Li, profesor asistent la Departamentul de științe nucleare și Inginerie, fostul student absolvent Bolin Liao, acum un profesor asistent la Universitatea din California, La Santa Barbara, Liang Fu, profesor asociat Biedenharn de fizica; și Gang Chen, profesorul Soderberg și șeful Departamentului de Inginerie Mecanică.
o cale parcursă liber
când un material termoelectric este expus la un gradient de temperatură — de exemplu, un capăt este încălzit, în timp ce celălalt este răcit — electronii din acel material încep să curgă de la capătul fierbinte la capătul rece, generând un curent electric. Cu cât diferența de temperatură este mai mare, cu atât se produce mai mult curent electric și se generează mai multă putere. Cantitatea de energie care poate fi generată depinde de proprietățile particulare de transport ale electronilor dintr-un material dat.oamenii de știință au observat că unele materiale topologice pot fi transformate în dispozitive termoelectrice eficiente prin nanostructurare, o tehnică pe care oamenii de știință o folosesc pentru a sintetiza un material prin modelarea caracteristicilor sale la scara nanometrilor. Oamenii de știință au crezut că avantajul termoelectric al materialelor topologice provine dintr-o conductivitate termică redusă în nanostructurile lor. Dar nu este clar modul în care această îmbunătățire a eficienței se conectează cu proprietățile topologice inerente ale materialului.pentru a încerca să răspundă la această întrebare, Liu și colegii săi au studiat performanța termoelectrică a telururii de staniu, un material topologic despre care se știe că este un material termoelectric bun. Electronii din telurura de staniu prezintă, de asemenea, proprietăți deosebite care imită o clasă de materiale topologice cunoscute sub numele de materiale Dirac.
echipa a urmărit să înțeleagă efectul nanostructurării asupra performanței termoelectrice a telururii de staniu, prin simularea modului în care electronii călătoresc prin material. Pentru a caracteriza transportul electronilor, oamenii de știință folosesc adesea o măsurătoare numită „calea liberă medie” sau distanța medie pe care un electron cu o anumită energie ar călători liber într-un material înainte de a fi împrăștiat de diverse obiecte sau defecte ale acelui material.
materialele nanostructurate seamănă cu un mozaic de cristale minuscule, fiecare cu margini, cunoscute sub numele de limite de cereale, care separă un cristal de altul. Când electronii întâlnesc aceste limite, ei tind să se împrăștie în diferite moduri. Electronii cu căi libere medii lungi se vor împrăștia puternic, precum gloanțele care ricoșează de pe un perete, în timp ce electronii cu căi libere medii mai scurte sunt mult mai puțin afectați.
în simulările lor, cercetătorii au descoperit că caracteristicile electronice ale telururii de staniu au un impact semnificativ asupra căilor lor libere medii. Ei au trasat gama de energii electronice a telururii de staniu împotriva căilor libere medii asociate și au descoperit că graficul rezultat arăta foarte diferit de cele pentru majoritatea semiconductorilor convenționali. Mai exact, pentru telurura de staniu și, eventual, alte materiale topologice, rezultatele sugerează că electronii cu energie mai mare au o cale liberă medie mai scurtă, în timp ce electronii cu energie mai mică posedă de obicei o cale liberă medie mai lungă.
echipa a analizat apoi modul în care aceste proprietăți electronice afectează performanța termoelectrică a telururii de staniu, prin însumarea esențială a contribuțiilor termoelectrice ale electronilor cu energii diferite și căi libere medii. Se pare că capacitatea materialului de a conduce electricitatea sau de a genera un flux de electroni, sub un gradient de temperatură, depinde în mare măsură de energia electronilor.mai exact, au descoperit că electronii cu energie mai mică tind să aibă un impact negativ asupra generării unei diferențe de tensiune și, prin urmare, a curentului electric. Acești electroni cu energie redusă au, de asemenea, căi libere medii mai lungi, ceea ce înseamnă că pot fi împrăștiați de granițele cerealelor mai intens decât electronii cu energie superioară.mergând cu un pas mai departe în simulările lor, echipa a jucat cu dimensiunea boabelor individuale ale telururii de staniu pentru a vedea dacă acest lucru a avut vreun efect asupra fluxului de electroni sub un gradient de temperatură. Ei au descoperit că atunci când au scăzut diametrul unui bob mediu la aproximativ 10 nanometri, apropiindu-i limitele, au observat o contribuție crescută din partea electronilor cu energie mai mare.
adică, cu dimensiuni mai mici ale bobului, electronii cu energie mai mare contribuie mult mai mult la conducerea electrică a materialului decât electronii cu energie mai mică, deoarece au căi libere medii mai scurte și sunt mai puțin susceptibile de a se împrăștia împotriva granulelor. Aceasta are ca rezultat o diferență de tensiune mai mare care poate fi generată.mai mult, cercetătorii au descoperit că scăderea dimensiunii medii a telururii de staniu la aproximativ 10 nanometri a produs de trei ori cantitatea de energie electrică pe care materialul ar fi produs-o cu boabe mai mari.
Liu spune că, deși rezultatele se bazează pe simulări, cercetătorii pot obține performanțe similare prin sintetizarea telururii de staniu și a altor materiale topologice și ajustarea mărimii granulelor folosind o tehnică de nanostructurare. Alți cercetători au sugerat că micșorarea dimensiunii granulelor unui material ar putea crește performanța termoelectrică, dar Liu spune că au presupus în mare parte că dimensiunea ideală ar fi mult mai mare de 10 nanometri.”în simulările noastre, am descoperit că putem micșora dimensiunea granulelor unui material topologic mult mai mult decât se credea anterior și, pe baza acestui concept, putem crește eficiența acestuia”, spune Liu.
Tin telluride este doar un exemplu de multe materiale topologice care nu au fost încă explorate. Dacă cercetătorii pot determina dimensiunea ideală a granulelor pentru fiecare dintre aceste materiale, Liu spune că materialele topologice ar putea fi în curând o alternativă viabilă și mai eficientă la producerea de energie curată.”cred că materialele topologice sunt foarte bune pentru materialele termoelectrice, iar rezultatele noastre arată că acesta este un material foarte promițător pentru aplicații viitoare”, spune Liu.această cercetare a fost susținută parțial de Centrul de conversie a energiei termice solare în stare solidă, Un centru de cercetare a frontierei energetice al Departamentului Energiei din SUA; și Agenția pentru proiecte de cercetare avansată în domeniul apărării (DARPA).