Жидкоподобные материалы могут стать ключом к созданию новых термоэлектрических устройств

В ходе длительных поисков более совершенных термоэлектрических материалов, которые преобразуют теплоту в электричество и наоборот, ученые обнаружили вещество, чьи свойства позволяют ему стать даже более эффективным, чем традиционные термоэлектрические вещества.

Термоэлектрические материалы использовались для обеспечения энергией космических аппаратов – начиная «Аполлоном» и заканчивая марсоходом «Кьюриосити», в данный момент направляющегося к планете Марс. Однако в последнее время ученые и инженеры стали обращаться к этим веществам для утилизации отходящего тепла, высвобождаемого автомобилями или промышленным оборудованием, в качестве богатого источника энергии. Они также предлагают применять такие материалы для создания более эффективных систем обогрева в электромобилях и даже для разработки новых способов использования солнечной энергии.

В попытках найти более производительные материалы, исследователи изучили смесь меди и селена. Хотя данное вещество имеет твердое агрегатное состояние, оно обладает свойствами, присущими жидкости, что обусловлено тем, как атомы меди проходят через кристаллическую решетку селена.

«Этот материал напоминает мокрую губку, - объясняет Джефф Снайдер, профессор прикладной физики и материаловедения из Подразделения проектирования и прикладных наук в Калифорнийском институте технологий  и один из членов исследовательской группы. Если эта губка имеет мелкие поры, она выглядит и ведет себя как твердое тело. Но внутри молекулы воды диффундируют так же быстро, как если бы они действительно были в жидком состоянии. Вот так я представляю себе структуру этого материала – он обладает крепким каркасом из атомов селена, но атомы меди распространяются так быстро, как если бы они находились в жидкости».

Результаты исследования, проведенного совместными усилиями ученых из Шанхайского института керамики при Китайской академии наук, Брукхейвенской национальной лаборатории, университета Мичигана и Калифорнийского института технологий, были опубликованы в последнем номере журнала «Nature Materials».

Термоэлектрический материал генерирует электричество, когда существует разница температур на разных его концах. Например, если поместить термоэлектрическое устройство рядом с источником тепла – например, аккумуляторам портативного компьютера – тогда часть, расположенная ближе к нему, будет теплее. Электроны из горячей части распространяются в холодную, производя таким образом электрический ток.

Качественный термоэлектрический материал должен хорошо проводить ток и плохо – тепло. Если он будет хорошо проводить тепло, то все его части очень быстро достигнут одинаковой температуры,  и электроны перестанут передвигаться.

Таким образом, одним из способов повышения термоэлектрической эффективности является снижение теплопроводимости материала. С этой целью ученые начали разрабатывать термоэлектрические материалы со свойствами кристаллических и аморфных веществ. Кристаллическая структура позволяет электронам свободно передвигаться, в то время как менее упорядоченная структура аморфных веществ (например, стекла) препятствует распространению колебаний, переносящих тепло.

Эти колебания передаются с помощью двух типов волн. Первый тип – продольные волны, или волны сжатия, при которых направление перемещения (в данном случае, «перемешивание» атомов) совпадает с направлением волны.

Вторая разновидность волн – поперечная, в которой направление перемещения перпендикулярно направлению самой волны – как происходит, например, когда вы вращаете скакалку вверх-вниз, а волны по ней движутся в горизонтальной плоскости.

В твердых телах поперечные волны возникают из-за трения между атомами – это значит, что когда один атом колеблется вверх-вниз, соседний с ним двигается аналогично, что приводит к распространению волны. Однако в жидкостях трение между атомами минимально, и колеблющийся атом просто скользит вверх-вниз рядом со смежным. В результате, поперечные волны не могут возникнуть в жидких телах. Отличие составляют морские волны, поскольку в данном случае имеет место контакт между водой и воздухом.

Ученые обнаружили, что поскольку колебания, переносящие тепло, могут передвигаться лишь по продольным волнам, материалы со свойствами жидкостей обладают меньшей теплопроводимостью. Следовательно, жидкоподобные вещества с высокой электропроводимостью должны быть более эффективны с термоэлектрической точки зрения, чем традиционные аморфные вещества. 

В случае со смесью меди и селена, изученной исследователями, кристаллическая структура селена позволяет проводить электричество, в то время как свободно передвигающиеся атомы меди, подобно атомам жидкости,  понижают теплопроводность.

Эффективность термоэлектрического материала оценивается с помощью показателя под названием «термоэлектрический коэффициент качества». В данном случае он является одним из самых высоких для насыпных материалов и составляет 1,5 при температуре 1000° Кельвина.

Смесь меди и селена была впервые использована при строительстве космических аппаратов около 40 лет назад Национальным агентством по аэронавтике и исследованию космического пространства.  Однако присущие ей свойства жидкости, еще не зафиксированные в то время, существенно затрудняли работу с материалом. Новое исследование дает объяснение того факта, почему медно-селеновая смесь обладает такими ярко выраженными термоэлектрическими свойствами, и предоставляет возможности для создания и изучения нового класса жидкоподобных термоэлектрических материалов.

«Мы надеемся, что теперь научное сообщество получило еще одну методику работы в процессе поиска материалов с высоким термоэлектрическим коэффициентом качества», - отмечает Снайдер.

Помимо профессора Снайдера, членом исследовательской группы стал выпускник Калифорнийского института технологий Тристан Дэй. Кроме того, соавторами публикации в журнале «Nature Materials» стали ученые Хуэйли Лью, Сун Ши, Лидонг Чен, Фанфанг Су, Линлин Чжан и Вьенкинг Чжан из Шанхайского института керамики при Китайской академии наук; Цзян Ли из Брукхейвенской национальной лаборатории, а также Стирад Ухэр из университета Мичигана.

В проведении исследований ученым оказал поддержку Национальный фонд естественных наук Китая, Шанхайская комиссия по науке и технологиям, Министерство энергетики США, представители международной программы поддержки инновационных технологий, а также  Подразделения научных исследований Военно-воздушных сил США.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.spacedaily.com/reports/Liquid_like_Materials_May_Pave_Way_for_New_Thermoelectric_Devices_999.html