Een gebied verkennen dat door andere wetenschappers over het hoofd wordt gezien, natuurkundigen van het National High Magnetic Field Laboratory, met het hoofdkantoor van de Florida State University, hebben ontdekt dat een klasse van materialen genaamd "1-2-20s" veelbelovende thermo-elektrische eigenschappen heeft, het openen van de sluizen voor verder onderzoek naar deze fascinerende materialen.

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Thermo-elektrische apparaten kunnen elektriciteit produceren als er een temperatuurverschil is tussen de twee uiteinden. Ze kunnen ook het tegenovergestelde doen:elektriciteit gebruiken om warmte op te nemen of af te geven. Deze woning heeft vele potentiële toepassingen, van compressorloze koeling tot energieopwekking in de ruimte tot het terugwinnen van alle energie die wordt verspild door automotoren (ongeveer 40 procent) die door warmte ontsnapt.

"Het is geen gratis energie, " zei MagLab-natuurkundige Ryan Baumbach, corresponderende auteur op het papier, "maar het is het op één na beste ding."

De meeste materialen hebben zeer weinig thermo-elektrisch effect. Dat komt omdat de overdracht van elektriciteit over een materiaal en de overdracht van warmte meestal hand in hand gaan. In het algemeen, de natuur wil warmte en elektrische geleidbaarheid gekoppeld houden, maar om goede thermo-elektrische prestaties te hebben, deze twee eigenschappen moeten worden ontkoppeld.

Ongeveer twee jaar geleden, Baumbach suggereerde dat Kaya Wei, de MagLab's Jack Crow postdoctoraal fellow en een lid van de onderzoeksgroep van Baumbach, bestudeer een "1-2-20" materiaal dat een goede kandidaat leek voor thermo-elektriciteit.

Het specifieke materiaal dat Baumbach voorstelde bevatte drie basisingrediënten in een "1-2-20"-verhouding:het element ytterbium; een overgangsmetaal (ofwel kobalt, rhodium of iridium); en het element zink. Baumbach had het idee dat deze verbinding had wat nodig is, als het goed wordt gemanipuleerd in zijn lab, zijn neus naar de natuur wijzen en warmtegeleiding loskoppelen van warmtegeleiding.

Met behulp van hoge-temperatuurovens in het laboratorium van Baumbach, Wei synthetiseerde de verbinding in kristalvorm en onderwierp de monsters aan een aantal metingen. De resultaten bevestigden dat, bij lage temperaturen, het materiaal was in feite een veelbelovend thermo-elektrisch materiaal.

Toen was het tijd om met de variabelen te gaan spelen om te zien wat ze nog meer konden ontdekken.

"Verschillende composities bevorderen heel verschillende fysieke eigenschappen, " zei Wei, hoofdauteur van de krant.

Het bouwen van een betere thermo-elektrische

De onderzoekers wilden een materiaal maken dat zo thermo-elektrisch geoptimaliseerd mogelijk was, een eigenschap die wordt weergegeven door een parameter die de thermo-elektrische verdienste (of ZT) wordt genoemd. Om dat te doen, ze moesten hun kristal aanpassen om:1. de elektrische geleidbaarheid te maximaliseren; 2. Minimaliseer de warmtegeleiding; en 3. Ontwikkel een grote spanning wanneer een kleine temperatuurgradiënt wordt toegepast (d.w.z. wanneer het ene uiteinde iets warmer is dan het andere), een eigenschap gemeten door een waarde die de Seebeck-coëfficiënt wordt genoemd.

Het eerste doel was het gemakkelijkste:het materiaal was al voor een groot deel een goede geleider dankzij het zink en het overgangsmetaal.

De andere goals waren ingewikkelder. Om de tweede te bereiken, de wetenschappers moesten de fononen saboteren die grotendeels verantwoordelijk zijn voor het transporteren van warmte. Fononen zijn trillingen die zich voortplanten door het driedimensionale atoomrooster van een materiaal:energie geabsorbeerd door een atoom kan rimpelen, atoom tot atoom, over het hele materiaal.

Gelukkig, inherent aan de structuur van 1-2-20 materialen was een manier om enorme fonon-wegversperringen op te werpen.

Het kristal dat Wei maakte had een kooiachtige structuur met 20 zinkatomen die één ytterbiumatoom huisvestten. Het ytterbiumatoom ratelt in de kooi, interfereren met het vermogen van fononen om warmte door het materiaal af te voeren.

De grote eenheidscel van het kristal versterkt dit effect. De fononen zijn overal verspreid.

Het ytterbium leent nog een belangrijk ingrediënt voor het thermo-elektrische succes van de verbinding. Het bevat een soort elektron dat een "f-elektron" wordt genoemd. Zonder te kwantummechanisch te worden, f-elektronen hebben de neiging dicht genoeg bij de kern te blijven om een ​​magnetisch karakter te behouden. In ytterbium en enkele andere speciale gevallen, echter, f-elektronen schommelen tussen zich stevig vastklampen aan de kern en zich uitstrekken naar naburige atomen.

"De ytterbium f-elektronen zijn speciaal omdat ze een dualiteit hebben tussen gelokaliseerd en gedelokaliseerd zijn, " legde Baumbach uit. "Dit helpt de grote Seebeck-coëfficiënt van het materiaal te verklaren."

Volgende stappen

Nu ze dit recept voor thermo-elektriciteit hebben ontdekt en beter begrepen, Baumbach en Wei verkennen verder.

De ZT-waarden van de verbindingen die ze hebben getest, pieken bij zeer lage temperaturen - rond -400 graden Fahrenheit of -240 graden Celsius. Dit zou alleen nuttig zijn in de ruimte of voor andere toepassingen bij lage temperaturen. Maar door te experimenteren met de specifieke ingrediënten in hun 1-2-20s, de wetenschappers zeggen dat ze verschillende resultaten kunnen bereiken.

"Er zijn zoveel chemische varianten voor de 1-2-20-familie van verbindingen, "Zei Wei. "Het is niet alleen dat je 100 procent van het ene of het andere element zou veranderen, maar je zou chemische substitutie kunnen doen. En onze hoop is, daarbij, we zullen in staat zijn om rond de temperatuur te bewegen waar de ZT-waarde piekt en materialen te vinden voor verschillende toepassingen."

Hoewel ze blij zijn met hun succes, Baumbach en Wei lijken zelfs nog meer opgewonden dat ze met hun wetenschap een heel nieuw blik wormen hebben geopend dat zwermen andere onderzoekers zal aantrekken.

"Deze jongens zijn slechts een paar voorbeelden van een hele grote familie van materialen, " zei Baumbach. "We denken dat dit werk veel interesse zal wekken van groepen buiten de onze."