В постоянном поиске лучших термоэлектрических материалов, которые преобразуют тепло в электричество и наоборот, исследователи выявили тип жидкостного соединения, свойства которого дают больший потенциал, чтобы быть ещё более эффективными, чем традиционное термоэлектричество, сообщает «WordScience.org».
Термоэлектрические материалы были использованы для питания космических кораблей, таких как «Аполлон», которые стремительно направляются к Марсу. Однако в последнее время учёные и инженеры обнаружили обратную сторону этих материалов, которая ранее использовалась впустую. Например, использовать тепло выпущенное автомобилями или промышленным оборудованием, как эффективный источник энергии. Учёные также предложили использовать эти материалы для создания более эффективной системы отопления в электрических автомобилях и даже новые способы использования солнечной энергии.
При определении нового типа термоэлектрического материала, исследователи изучили материал, изготовленный из селена и меди. Не смотря на то, что этот материал физически твёрдый, он обладает свойствами жидкого материала, потому что его медные атомы протекают через кристаллическую решётку селена.
«Это похоже на мокрую губку», — объясняет Джефф Снайдер, сотрудник на факультете прикладной физики и материаловедения в отделе инженерных и прикладных наук в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) и член исследовательской группы. «Это похоже на губку с очень мелкими порами, она выглядит, как твёрдое тело, но внутри этой губки молекулы воды диффундируют так же быстро, как если бы они были диффундировали в потоке жидкости. По такому же типу работает и этот материал. Он имеет прочную основу атомов селена, а атомы меди передвигаются по нему так же быстро, как если бы они передвигались в жидкости».
Данное исследование описано в недавно опубликованной статье в журнале «Nature Materials» и проводилось под руководством учёных из Китайской академии Шанхайского института в сотрудничестве с исследователями из Брукхейвенской национальной лаборатории и университета штата Мичиган (Michigan State University), а также Калифорнийского технологического института.
Термоэлектрический материал производит электричество, когда есть разница в температуре между одним концом материала и другим. Например, если разместить термоэлектрическое устройство в непосредственной близости от источника тепла, например батареи ноутбука, то более близкая к батарее сторона, будет иметь наиболее высокую температуру. Электроны находящиеся в более горячей стороне, будут передвигаться в прохладную сторону, при этом производя электрический ток.
Хороший термоэлектрический материал должен хорошо проводить электричество, но плохо вырабатывать тепло. Если бы такой материал хорошо проводил тепло, электроны из более горячей стороны передвигались бы в прохладную сторону так быстро, что весь материал бы имел одинаковую температуру. Если это происходит — электроны останавливаются.
Одним из путей повышения термоэлектрической эффективности — снизить способность материала проводить тепло. «В связи с этим, исследователи разрабатывают термоэлектрические материалы с кристаллическими и аморфными свойствами», — говорит Снайдер. Кристаллическое строение атома позволяет электронам протекать легко, в то время как аморфные материалы, такие как стекло, имеют более нерегулярную атомную структуру, которая препятствует распространению тепла.
Эти несущие высокую температуру колебания проходят через два типа волн. Первый тип представляет собой продольные волны или волны давления — в этом случае, покачивание атомов совпадает с направлением волны. Второй тип представляет собой поперечные волны, при которых направление смещения перпендикулярно направлению волны. Например, когда мы прыгаем через скакалку, волны перемещаются по горизонтали вдоль самой скакалки.
В твёрдом материале поперечные волны вибрируют, потому что происходит трение между атомами. Когда один атом вибрирует вверх и вниз, то прилегающий атом вибрирует вместе с ним. В результате этого распространяется волна. Но в жидкости — минимальное трение между атомами, а вибрирующий атом просто скользит вверх и вниз по своему соседу. В итоге, поперечные волны не могут передвигаться внутри жидкости.
Учёные обнаружили, что несущие высокую температуру колебания в жидкости могут передвигаться только с помощью продольных волн, а жидкий материал с подобными свойствами, является менее теплопроводящим. «Таким образом, подобный жидкости материал, также хорош в проведении электричества и должен быть более эффективным термоэлектрически, чем традиционные аморфные материалы», — говорит Снайдер.
Исследователи обнаружили, что в случае селено-медного материала, кристаллическая структура селена помогает проводить электричество, а сыпучие атомы меди ведут себя подобно жидкости, заглушая коэффициент теплопроводности. Эффективность термоэлектрического материала определена количественно и называется «термоэлектрическим показателем качества». «Селено-медный материал имеет термоэлектрический показатель 1,5 на 1000 градусов Кельвина — один из самых высоких показателей для любого материала», — говорят исследователи.
Примерно 40 лет назад, инженеры «NASA» впервые использовали селено-медный материал в дизайне космических аппаратов», — говорит Снайдер. Но в то время, его подобные жидкости свойства не были до конца раскрыты и в результате этого сильно затруднялась работа. По его словам, данное исследование выявило и объяснило, почему селено-медный материал имеет такие эффективные термоэлектрические свойства, потенциально открывая совершенно новый класс подобных жидкости термоэлектрических материалов для проведения исследований.
«Будем надеяться, что научное сообщество нашло другую стратегию для работы, ища материалы с высокой термоэлектрической эффективностью», — говорит Снайдер.
Кроме Снайдера в исследовательскую группу из Калифорнийского технологического института входит аспирант Тристан Дэй. Другие авторы работающие над статьёй в назете «Nature Materials» под названием «Copper ion liquid-like thermoelectrics», являются Хуили Лю Синь Ши, Лидонг Чен, Фангфанг Сюй, Линлин Чжан и Венгуинг Чжан из китайской Академии Шанхайского института; Цян Ли из Брукхейвенской национальной лаборатории и Цирад Ухер из университета штата Мичиган.
