Als we de dreigende milieucrisis willen voorkomen, het is absoluut noodzakelijk dat we efficiënte en duurzame manieren vinden om verspilling te voorkomen. Een gebied met veel ruimte voor verbetering is het recyclen van restwarmte van industriële processen en technologische apparaten in elektriciteit. Thermo-elektrische materialen vormen de kern van onderzoek op dit gebied omdat ze schone stroomopwekking mogelijk maken tegen lage kosten.

Voor thermo-elektrische materialen voor gebruik in enorm verschillende gebieden, zoals staalfabrieken en transport, ze moeten kunnen werken in regimes van zowel hoge als lage temperaturen. In dit verband, half-Heusler Ni-gebaseerde legeringen staan ​​momenteel in de schijnwerpers dankzij hun aantrekkelijke thermo-elektrische efficiëntie, mechanische kracht, en duurzaamheid. Hoewel er veel moeite is gedaan om deze eigenaardige legeringen te begrijpen en te verbeteren, wetenschappers hebben het moeilijk gevonden om duidelijk te maken waarom legeringen op basis van half Heusler Ni zo'n hoge conversie-efficiëntie hebben. Sommigen hebben getheoretiseerd dat defecten in de kristalstructuur van het materiaal de thermische geleidbaarheid verhogen en, beurtelings, zijn conversie-efficiëntie. Echter, de kristalstructuur rond de defecten is onbekend en hun specifieke bijdragen ook.

In een recente studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , een team van wetenschappers uit Japan en Turkije, onder leiding van universitair hoofddocent Hidetoshi Miyazaki van het Nagoya Institute of Technology, Japan, hebben nu geprobeerd om dit probleem glashelder te maken! Hun onderzoek combineerde theoretische en experimentele analyses in de vorm van grootschalige kristalstructuursimulaties en X-ray absorptie fijne structuur (XAFS) spectra op NiZrSn-legeringen.

Met behulp van deze technieken, het team berekende eerst de structurele effecten die een extra Ni-atoom (defect) zou hebben in de rangschikking van NiZrSn-kristallen. Vervolgens, ze verifieerden de theoretische voorspellingen door middel van verschillende soorten XAFS-metingen, zoals Dr. Miyazaki uitlegt, "In ons theoretisch kader we gingen ervan uit dat kristalroostervervormingen een gevolg zijn van atoomdefecten om bandstructuurberekeningen volgens de eerste principes uit te voeren. XAFS maakte het mogelijk om gedetailleerde informatie te verkrijgen over de lokale kristalstructuur rond atoomdefecten door de experimentele en theoretische spectra van de kristalstructuur te vergelijken. "Deze waarnemingen stelden de wetenschappers in staat nauwkeurig de spanning te kwantificeren die Ni-defecten veroorzaken in nabijgelegen atomen. Ze analyseerden ook de mechanismen waardoor deze veranderingen leiden tot een hogere thermische geleidbaarheid (en conversie-efficiëntie).

De resultaten van deze studie zullen cruciaal zijn bij het bevorderen van thermo-elektrische technologie, zoals Dr. Miyazaki opmerkt:"We verwachten dat onze resultaten zullen bijdragen aan de ontwikkeling van een strategie die is gericht op het beheersen van de spanning rond defecte atomen, wat ons op zijn beurt in staat zal stellen nieuwe en betere thermo-elektrische materialen te ontwikkelen." Hopelijk, dit zal leiden tot een sprong in thermo-elektrische conversietechnologie en de overgang naar een minder verspillend, een koolstofarme samenleving - een samenleving waarin overtollige warmte niet alleen wordt weggegooid, maar in plaats daarvan wordt teruggewonnen als energiebron.

Tot slot, Dr. Miyazaki benadrukt dat de technieken die worden gebruikt om fijne veranderingen in spanning in kristallijne structuren waar te nemen, gemakkelijk kunnen worden aangepast aan andere soorten materiaal, zoals die bedoeld zijn voor spintronische toepassingen en katalysatoren.

Er is zeker veel te winnen door op zoek te gaan naar de fijne details in de materiaalwetenschap, en we kunnen er zeker van zijn dat deze studie een stap in de goede richting naar een betere toekomst markeert!