Наноразмерные столбики улучшают преобразование высокой температуры в электричество

Ученые из Колорадского университета в Болдере обнаружили творческий подход, который позволяет радикально усовершенствовать термоэлектрические материалы.

Данное открытие однажды может привести к разработке более совершенных солнечных панелей, более энергоэффективного охлаждающего оборудования, и даже к созданию новых устройств, способных превратить значительный объем высокой температуры, который впустую расходуется на электростанциях, в дополнительное электричество.

Технология — создание множества крошечных столбиков на вершине листа термоэлектрического материала — представляет совершенно новый способ решения столетней проблемы, отметил доцент Махмуд Хуссейн.

Термоэлектрический эффект, впервые открытый в 1800-х годах, описывает способность производства электричества вследствие разницы температур между двумя сторонами материала. Напротив, применение электрического напряжения к термоэлектрическому материалу может заставить одну сторону такого материала нагреваться, а другую — охлаждаться.

Устройства, включающие термоэлектрические материалы, используются как для генерации электричества из источника высокой температуры, такого, как солнце, так и для охлаждения точных инструментов за счет потребления электричества.

Однако широкому использованию термоэлектриков помешала фундаментальная проблема, которая заставила ученых работать над ней десятилетиями. Материалы, которые проводят электричество, в той же мере проводят и тепло. Это значит, что разница температур, которая формирует электрический потенциал, начинает рассеиваться, ослабляя генерируемый ток.

До 1990-х годов ученые решение проблемы видели в материалах со свойствами, которые лучше проводят электричество, нежели тепло.

«Еще порядка 20 лет назад особое внимание уделялось химическому составу материалов», сообщил Хуссейн. „Затем на сцене появились нанотехнологии, что позволило ученым создавать материалы с желательными свойствами“.

С помощью нанотехнологий физики-материаловеды начали создавать барьеры в термоэлектриках, такие как дыры или частицы, которые препятствовали току тепла, но не мешали электрическому току. И все же даже оптимальный проект приводил к замедлению потока электронов.

В новом исследовании, опубликованном в издании Physical Review Letters, Хуссейн и докторант Брюс Дэвис показали, что нанотехнология может использоваться совершенно иным способом, чтобы замедлить поток тепла без влияния на движение электронов.

Новая концепция включает построение множества наностолбиков на листе термоэлектрика, такого как кремний, например, и формирование в итоге того, что авторы называют нанофононным метаматериалом. Тепло через материал проходит в виде серии колебаний, известных как фононы. Атомы, из которых состоят наностолбики, также вибрируют во множестве частот. Дэвис и Хуссейн использовали компьютерную симуляцию, чтобы показать, что колебания столбиков будут взаимодействовать с колебаниями фононов, замедляя поток тепла. Эти же колебания никак не затронут электрический ток.

Ученые предполагают, что наностолбики способны уменьшить поток тепла через материал на 50%, при этом сокращение фактически может быть значительно более ощутимым, поскольку вычисления производились весьма осторожные, отметил Хуссейн.

«Если мы можем существенно улучшить термоэлектрическое преобразование энергии, технология получит широкое практическое применение», заявил исследователь. Например, она сможет использоваться для сбора тепла, испускаемого разными типами оборудования, от ноутбуков до автомобилей и электростанций, и преобразования этого тепла в электричество. Также термоэлектрики смогут усовершенствовать солнечные панели и охлаждающие устройства.

Следующим шагом ученых будут лабораторные испытания наностолбиков. «Пока для лабораторной демонстрации несколько рано, но до этого остаются считанные мгновения», заверил Хуссейн.

21.02.2014