Νέο υλικό σπάζει το παγκόσμιο ρεκόρ στη μετατροπή θερμότητας σε ηλεκτρισμό

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μπορούν να μετατρέπουν θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό γίνεται λόγω του αποκαλούμενου φαινομένου Seebeck: Αν υπάρχει μια διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δυο άκρων ενός τέτοιου υλικού, μπορεί να δημιουργηθεί διαφορά δυναμικού που να προκαλέσει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Το ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να δημιουργηθεί σε μια δεδομένη διαφορά θερμοκρασίας μετριέται με τον αποκαλούμενο συντελεστή θερμοηλεκτρικής απόδοσης ΖΤ: Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του συντελεστή ΖΤ ενός υλικού, τόσο καλύτερες είναι οι θερμοηλεκτρικές ιδιότητές του.

Τα καλύτερα θερμοηλεκτρικά μέχρι τώρα μετριόνταν με τιμές ΖΤ γύρω στα 2,5 με 2,8. Τώρα, επιστήμονες του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας της Βιέννης (Technische Universität Wien ή TU Wien) έχουν πετύχει να αναπτύξουν ένα τελείως νέο υλικό με τιμή ΖΤ 5 με 6. Είναι ένα λεπτό στρώμα σιδήρου, βαναδίου, βολφραμίου και αργιλίου που εφαρμόζονται σε έναν κρύσταλλο πυριτίου. Το νέο υλικό είναι τόσο αποδοτικό που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει ενέργεια για αισθητήρες και ακόμη μικρούς επεξεργαστές υπολογιστών. Αντί της σύνδεσης των μικρών ηλεκτρικών συσκευών με καλώδια, θα μπορούσαν να παράγουν τον ηλεκτρισμό τους από τις διαφορές θερμοκρασίας. Το νέο υλικό παρουσιάστηκε στο περιοδικό Nature.

Ηλεκτρισμός και Θερμοκρασία

«Ένα καλό θερμοηλεκτρικό υλικό πρέπει να εμφανίζει ισχυρό φαινόμενο Seebeck και πρέπει να έχει δυο σημαντικά προαπαιτούμενα που είναι δύσκολο να συμβιβαστούν», λέει ο Καθηγητής Ernst Bauer από το Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο TU Wien. Από τη μια μεριά, θα πρέπει να άγει τον ηλεκτρισμό όσο το δυνατό καλύτερα και από την άλλη, θα πρέπει να μεταφέρει τη θερμότητα όσο το δυνατόν λιγότερο*. Αυτό είναι μια πρόκληση επειδή η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η θερμική αγωγιμότητα είναι συνήθως σχετικά κοντά».

Στο Εργαστήριο για τον θερμοηλεκτρισμό Christian Doppler, που ίδρυσε ο Ernst Bauer στο TU Wien το 2013, μελετήθηκαν κατά τη διάρκεια των τελευταίων χρόνων διάφορα θερμοηλεκτρικά υλικά για διάφορες εφαρμογές. Αυτή η έρευνα οδήγησε τώρα στην ανακάλυψη του ιδιαιτέρως αξιόλογου υλικού – έναν συνδυασμό σιδήρου, βαναδίου, βολφραμίου και αργιλίου. «Τα άτομα σε αυτό το υλικό είναι συνήθως διευθετημένα σε ένα αυστηρά κανονικό μοτίβο σε ένα (αποκαλούμενο) ολοεδρικά κεντρωμένο κυβικό πλέγμα (face-centered cubic lattice)», λέει ο Ernst Bauer. «Η απόσταση μεταξύ δυο ατόμων σιδήρου είναι πάντα η ίδια και το ίδιο είναι αλήθεια για τους άλλους τύπους των ατόμων. Ο όλος κρύσταλλος είναι έτσι τελείως κανονικός».

Ωστόσο, όταν ένα λεπτό στρώμα του υλικού εφαρμόζεται σε πυρίτιο, συμβαίνει κάτι καταπληκτικό: η δομή αλλάζει ριζικά. Αν και τα άτομα ακόμη σχηματίζουν ένα κυβικό μοτίβο, τώρα διευθετούνται σε μια χωρο-κεντρωμένη (space-centered) δομή και η κατανομή των διαφόρων τύπων των ατόμων γίνεται τελείως τυχαία. «Δυο άτομα σιδήρου μπορεί να βρίσκονται το ένα μετά το άλλο, οι θέσεις μετά από αυτά μπορεί να κατέχονται από βανάδιο ή αργίλιο και δεν υπάρχει κανένας κανόνας που να επιβάλει που θα βρεθεί το επόμενο άτομο σιδήρου στον κρύσταλλο», εξηγεί ο Bauer.

Αυτή η ανάμιξη της κανονικότητας και μη-κανονικότητας της διευθέτησης των ατόμων αλλάζει επίσης την ηλεκτρονική δομή η οποία προσδιορίζει πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια στο στερεό. «Το ηλεκτρικό φορτίο κινείται μέσω του υλικού με έναν ιδιαίτερο τρόπο, έτσι που να προστατεύεται από διεργασίες σκέδασης. Τα τμήματα του φορτίου που κινούνται μέσω του υλικού αναφέρονται ως φερμιόνια Weyl», λέει ο Ernst Bauer. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται πολύ χαμηλή ηλεκτρική αντίσταση.

Οι δονήσεις του πλέγματος, από την άλλη μεριά, η οποίες μεταφέρουν θερμότητα από περιοχές υψηλής θερμοκρασίας σε περιοχές χαμηλής θερμοκρασίας, περιορίζονται από τις ανωμαλίες στην κρυσταλλική δομή. Έτσι, η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται. Αυτό είναι σημαντικό αν η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να δημιουργείται μόνιμα από τη διαφορά θερμοκρασίας – επειδή αν οι διαφορές θερμοκρασίας θα μπορούσαν να εξαφανιστούν πολύ γρήγορα και όλο το υλικό θα είχε σε σύντομο χρόνο την ίδια θερμοκρασία παντού, το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο θα σταματήσει.

Ηλεκτρισμός για το Internet των Πραγμάτων

«Βεβαίως, ένα τέτοιο λεπτό στρώμα δεν μπορεί να δημιουργήσει ένα ιδιαίτερα μεγάλο ποσό ενέργειας, όμως έχει το πλεονέκτημα να είναι εξαιρετικά συμπαγές και προσαρμόσιμο», λέει ο Ernst Bauer. «Θέλουμε να το χρησιμοποιήσουμε για να παρέχουμε ενέργεια για αισθητήρες και μικρές ηλεκτρονικές εφαρμογές». Η ζήτηση για τέτοιες μικρής κλίμακας γεννήτριες αυξάνεται γρήγορα: Στο «Internet των Πραγμάτων», όλο και περισσότερες συσκευές συνδέονται μαζί online έτσι που να συντονίζεται αυτόματα η συμπεριφορά τους με κάθε άλλη. Αυτό είναι ιδιαιτέρως πολλά υποσχόμενο για μελλοντική μονάδα παραγωγής, όπου η μια μηχανή πρέπει να αντιδρά δυναμικά με μια άλλη.

«Εάν χρειάζεστε έναν μεγάλο αριθμό συσκευές αισθητήρων σε ένα εργοστάσιο, δεν μπορείτε να τις καλωδιώσετε όλες αυτές μαζί. Είναι πολύ πιο έξυπνο για τους αισθητήρες να μπορούν να παράγουν την δική τους ισχύ χρησιμοποιώντας μια μικρή θερμοηλεκτρική συσκευή», σημειώνει ο Bauer.

Πηγή: TU Wien

Περισσότερα στη δημοσίευση: Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy. Nature.

(*) Σημείωση egno.gr: Λίγο πιο τεχνοκρατικά από τις δυο απαιτήσεις, η πρώτη απαίτηση για το συντελεστή ΖΤ ικανοποιείται όταν το υλικό έχει υψηλή συγκέντρωση φορέων και υψηλή ευκινησία, δηλαδή υψηλή αγωγιμότητα και συντελεστή Seebeck, ενώ η δεύτερη όταν το υλικό έχει μικρή θερμική αγωγιμότητα.

Σημείωση egno.gr: Στην εικόνα του κειμένου παρουσιάζεται η εξάρτηση της συγκέντρωσης σε σχέση με την παράμετρο α πλέγματος FeV(1−x)W(x)Al που πάρθηκε σε θερμοκρασία δωματίου. Στην ένθετη εικόνα ένα σχεδίασμα της κρυσταλλικής δομής του Fe(2)VAl. Δεν υπάρχει το βολφράμιο, αλλά η εικόνα παρέχεται για τη αντίληψη της σχετικής κρυσταλλικής δομής.