Учёные из Института науки Токио (Science Tokyo) разработали твёрдый кристаллический материал, способный эффективно преобразовывать тепло в электричество. Исследователи объединили свойства атомарно тонких плёнок с практичностью объёмных кристаллов, что открывает путь к созданию новых термоэлектрических устройств.
Фото: Interesting Engineering
Термоэлектрические материалы генерируют электричество за счёт разницы температур между двумя сторонами. Это делает их перспективными для использования на промышленных предприятиях, в выхлопных системах автомобилей, на электростанциях и в печах. Однако для эффективной работы такой материал должен одновременно отвечать двум противоположным требованиям: хорошо проводить электричество и плохо проводить тепло. Большинство электропроводящих материалов также хорошо проводят тепло, из-за чего разница температур быстро выравнивается, и генерация электричества падает.
Чтобы решить эту проблему, команда обратилась к соединению TlFe₁.₆Se₂, в состав которого входят таллий, железо и селен. Внутренняя структура материала напоминает слоёный сэндвич: сверхтонкие слои селенида железа (FeSe) многократно встроены в трёхмерный кристалл. Атомарно тонкие плёнки FeSe обладают отличными электрическими свойствами для термоэлектрической генерации, но их сложно производить и интегрировать в реальные устройства. Новая кристаллическая форма воспроизводит поведение ультратонких плёнок внутри твёрдого блока материала.
Ключевая особенность разработки – контролируемое отсутствие части атомов железа, так называемые «железные вакансии». Они нарушают передачу тепла через кристалл за счёт рассеивания атомных колебаний (фононов). Если бы кристалл был идеально правильным, эти колебания распространялись бы беспрепятственно. Вакансии же искажают связи в решётке, и тепло перестаёт свободно проходить через материал.
В итоге учёные получили крайне низкую теплопроводность – около 0,2 Вт/(м·К) при температуре примерно 180 °C. По своим свойствам материал приближается к теплоизолятору, при этом сохраняя электропроводность, необходимую для выработки электричества.
Пока технология подтверждена только в лабораторных условиях. Для практического применения необходимо решить вопросы общей эффективности преобразования, долговременной стабильности, стоимости и масштабируемости. Присутствие таллия также требует решения проблем безопасности, поскольку этот элемент токсичен.
«Эта работа демонстрирует эффективность новой концепции дизайна, при которой функциональность низкоразмерных материалов встраивается в объёмные кристаллы, – отметил ведущий автор исследования профессор Такаёси Катасэ из Института науки Токио. – Результаты открывают многообещающий путь для разработки термоэлектрических материалов следующего поколения, преодолевающих традиционные компромиссы между электрическими и тепловыми свойствами».
Источник: Interesting Engineering
Оцените новость
0
0
0
0
0
0
0