Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток из разности температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам снабжать себя энергией без проводов.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если существует разница температур между двумя концами такого материала, то в нем возникает электрическое напряжение, и ток может начать течь. Количество электрической энергии, которая может генерироваться при данной разности температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Электричество и температура

Лучшие термоэлектрики на сегодняшний день имеют значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученые из TU Wien в настоящее время преуспели в разработке совершенно нового материала со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой сплава железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могут генерировать свое собственное электричество из-за разницы температур. Новый материал был представлен в журнале Nature.

«Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, и он должен отвечать двум важным требованиям, которые трудно согласовать», - говорит профессор Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела в Университете Туена. «С одной стороны, он должен проводить электричество настолько хорошо, насколько это возможно; с другой стороны, он должен передавать тепло настолько плохо, насколько это возможно. Это сложная задача, поскольку электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В Христианской доплеровской лаборатории термоэлектричества, которую Эрнст Бауэр создал в TU Wien в 2013 году, за последние несколько лет были изучены различные термоэлектрические материалы для различных применений. Это исследование в настоящее время привело к открытию особенно интересного материала - комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

«Атомы в этом материале обычно располагаются строгом порядке - в так называемой гранецентрированной кубической решетке», - говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же самое верно и для других типов атомов. Следовательно, весь кристалл является абсолютно структурированным».

Однако, когда тонкий слой материала наносится на кремний, происходит нечто удивительное: структура кардинально меняется. Хотя атомы все еще формируют кубическую структуру, они теперь расположены в пространственно-центрированной структуре, и распределение атомов разных типов становится совершенно случайным. «Два атома железа могут находиться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует никаких правил, определяющих, где будет находиться следующий атом железа в кристалле», - объясняет Бауэр.

Эта смесь структурированности и беспорядочности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет, как электроны движутся в твердом теле. «Электрический заряд проходит через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Части заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля», - говорит Эрнст Бауэр. Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, подавляются неравномерностями в кристаллической структуре. Следовательно, теплопроводность уменьшается. Это важно, если электрическая энергия должна генерироваться постоянно из-за разности температур, потому что, если разности температур смогут очень быстро уравновеситься, то и весь материал скоро будет иметь одинаковую температуру, термоэлектрический эффект остановится.

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но он имеет преимущество в том, что он чрезвычайно компактен», - говорит Эрнст Бауэр. «Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных приложений». Спрос на такие мелкие генераторы быстро растет: в «Интернете вещей» все больше и больше устройств связаных друг с другом по сети, так что они автоматически координируют свое поведение друг с другом. Это особенно перспективно для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамически реагировать на другую.

«Если вам требуется большое количество датчиков на заводе, вы не можете соединить их все вместе. Гораздо разумнее, чтобы датчики могли генерировать свою собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства», - говорит Бауэр. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet