Wat als u uw airconditioner niet op conventionele elektriciteit zou kunnen laten werken, maar op de warmte van de zon tijdens een warme zomerdag? Met de vooruitgang in thermo-elektrische technologie, deze duurzame oplossing kan ooit werkelijkheid worden.

Thermo-elektrische apparaten zijn gemaakt van materialen die een temperatuurverschil kunnen omzetten in elektriciteit, zonder dat er bewegende delen nodig zijn - een kwaliteit die thermo-elektriciteit tot een potentieel aantrekkelijke bron van elektriciteit maakt. Het fenomeen is omkeerbaar:als elektriciteit wordt toegepast op een thermo-elektrisch apparaat, het kan een temperatuurverschil veroorzaken. Vandaag, thermo-elektrische apparaten worden gebruikt voor toepassingen met relatief laag vermogen, zoals het aandrijven van kleine sensoren langs oliepijpleidingen, reservebatterijen op ruimtesondes, en verkoelende minikoelkasten.

Maar wetenschappers hopen krachtigere thermo-elektrische apparaten te ontwerpen die warmte zullen oogsten - geproduceerd als een bijproduct van industriële processen en verbrandingsmotoren - en die anders verspilde warmte in elektriciteit zullen omzetten. Echter, de efficiëntie van thermo-elektrische apparaten, of de hoeveelheid energie die ze kunnen produceren, is momenteel beperkt.

Nu hebben onderzoekers van MIT een manier ontdekt om die efficiëntie te verdrievoudigen, het gebruik van "topologische" materialen, die unieke elektronische eigenschappen hebben. Hoewel eerder werk heeft gesuggereerd dat topologische materialen kunnen dienen als efficiënte thermo-elektrische systemen, er was weinig begrip over hoe elektronen in dergelijke topologische materialen zouden reizen als reactie op temperatuurverschillen om een ​​thermo-elektrisch effect te produceren.

In een artikel dat deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de MIT-onderzoekers identificeren de onderliggende eigenschap die van bepaalde topologische materialen een potentieel efficiënter thermo-elektrisch materiaal maakt, vergeleken met bestaande apparaten.

"We hebben ontdekt dat we de grenzen van dit nanogestructureerde materiaal kunnen verleggen op een manier die van topologische materialen een goed thermo-elektrisch materiaal maakt, meer dan conventionele halfgeleiders zoals silicium, " zegt Te-Huan Liu, een postdoc bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. "Uiteindelijk, dit zou een manier kunnen zijn om op schone energie te werken om ons te helpen een warmtebron te gebruiken om elektriciteit op te wekken, wat onze uitstoot van koolstofdioxide zal verminderen."

Liu is de eerste auteur van de PNAS papier, waaronder afgestudeerde studenten Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, en Qichen-lied; Mingda Li, assistent-professor bij de afdeling Nuclear Science and Engineering; voormalig afgestudeerde student Bolin Liao, nu een assistent-professor aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara; Liang Fu, de Biedenharn universitair hoofddocent natuurkunde; en Gang Chen, de Soderberg-hoogleraar en hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde.

Een vrij bewandeld pad

Wanneer een thermo-elektrisch materiaal wordt blootgesteld aan een temperatuurgradiënt, bijvoorbeeld het ene uiteinde is verwarmd, terwijl de andere wordt gekoeld - elektronen in dat materiaal beginnen te stromen van het hete uiteinde naar het koude uiteinde, het opwekken van een elektrische stroom. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer elektrische stroom wordt geproduceerd, en hoe meer stroom er wordt opgewekt. De hoeveelheid energie die kan worden opgewekt, hangt af van de specifieke transporteigenschappen van de elektronen in een bepaald materiaal.

Wetenschappers hebben waargenomen dat sommige topologische materialen kunnen worden omgezet in efficiënte thermo-elektrische apparaten door middel van nanostructurering, een techniek die wetenschappers gebruiken om een ​​materiaal te synthetiseren door de kenmerken ervan op nanometerschaal te modelleren. Wetenschappers hebben gedacht dat het thermo-elektrische voordeel van topologische materialen voortkomt uit een verminderde thermische geleidbaarheid in hun nanostructuren. Maar het is onduidelijk hoe deze verbetering van de efficiëntie zich verhoudt tot de inherente, topologische eigenschappen.

Om te proberen deze vraag te beantwoorden, Liu en zijn collega's bestudeerden de thermo-elektrische prestaties van tintelluride, een topologisch materiaal waarvan bekend is dat het een goed thermo-elektrisch materiaal is. De elektronen in tintelluride vertonen ook eigenaardige eigenschappen die een klasse van topologische materialen nabootsen die bekend staan ​​als Dirac-materialen.

Het team wilde het effect van nanostructurering op de thermo-elektrische prestaties van tintelluride begrijpen, door de manier waarop elektronen door het materiaal reizen te simuleren. Om elektronentransport te karakteriseren, wetenschappers gebruiken vaak een meting genaamd het "gemiddelde vrije pad, " of de gemiddelde afstand die een elektron met een bepaalde energie vrij zou afleggen in een materiaal voordat het wordt verstrooid door verschillende objecten of defecten in dat materiaal.

Nanogestructureerde materialen lijken op een lappendeken van kleine kristallen, elk met grenzen, bekend als korrelgrenzen, die het ene kristal van het andere scheiden. Wanneer elektronen deze grenzen tegenkomen, ze hebben de neiging om zich op verschillende manieren te verspreiden. Elektronen met lange gemiddelde vrije paden zullen sterk verstrooien, als kogels die van een muur afketsen, terwijl elektronen met kortere gemiddelde vrije paden veel minder worden beïnvloed.

In hun simulaties de onderzoekers ontdekten dat de elektronenkenmerken van tintelluride een significante invloed hebben op hun gemiddelde vrije paden. Ze hebben het bereik van elektronenenergieën van tintelluride uitgezet tegen de bijbehorende gemiddelde vrije paden, en ontdekte dat de resulterende grafiek er heel anders uitzag dan die voor de meeste conventionele halfgeleiders. specifiek, voor tintelluride en mogelijk andere topologische materialen, de resultaten suggereren dat elektronen met hogere energie een kortere gemiddelde vrije weg hebben, terwijl elektronen met lagere energie meestal een langere gemiddelde vrije weg hebben.

Het team bekeek vervolgens hoe deze elektroneneigenschappen de thermo-elektrische prestaties van tintelluride beïnvloeden. door in wezen de thermo-elektrische bijdragen van elektronen met verschillende energieën en gemiddelde vrije paden op te sommen. Het blijkt dat het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden, of een stroom van elektronen genereren, onder een temperatuurgradiënt, is grotendeels afhankelijk van de elektronenenergie.

specifiek, ze ontdekten dat elektronen met een lagere energie de neiging hebben een negatieve invloed te hebben op het genereren van een spanningsverschil, en dus elektrische stroom. Deze laagenergetische elektronen hebben ook langere gemiddelde vrije paden, wat betekent dat ze intensiever kunnen worden verstrooid door korrelgrenzen dan elektronen met een hogere energie.

Maat kleiner maken

Een stap verder gaan in hun simulaties, het team speelde met de grootte van de individuele korrels van tintelluride om te zien of dit enig effect had op de stroom van elektronen onder een temperatuurgradiënt. Ze ontdekten dat wanneer ze de diameter van een gemiddelde korrel verkleinden tot ongeveer 10 nanometer, haar grenzen dichter bij elkaar brengen, ze observeerden een verhoogde bijdrage van elektronen met hogere energie.

Dat is, met kleinere korrelgroottes, elektronen met hogere energie dragen veel meer bij aan de elektrische geleiding van het materiaal dan elektronen met lagere energie, omdat ze kortere gemiddelde vrije paden hebben en zich minder snel tegen korrelgrenzen verspreiden. Dit resulteert in een groter spanningsverschil dat kan worden gegenereerd.

Bovendien, de onderzoekers ontdekten dat het verminderen van de gemiddelde korrelgrootte van tintelluride tot ongeveer 10 nanometer drie keer de hoeveelheid elektriciteit produceerde die het materiaal zou hebben geproduceerd met grotere korrels.

Liu zegt dat hoewel de resultaten gebaseerd zijn op simulaties, onderzoekers kunnen vergelijkbare prestaties bereiken door tintelluride en andere topologische materialen te synthetiseren, en het aanpassen van hun korrelgrootte met behulp van een nanostructureringstechniek. Andere onderzoekers hebben gesuggereerd dat het verkleinen van de korrelgrootte van een materiaal de thermo-elektrische prestaties zou kunnen verhogen, maar Liu zegt dat ze er meestal vanuit gingen dat de ideale grootte veel groter zou zijn dan 10 nanometer.

"In onze simulaties we ontdekten dat we de korrelgrootte van een topologisch materiaal veel meer kunnen verkleinen dan eerder werd gedacht, en op basis van dit concept, we kunnen de efficiëntie ervan verhogen, "zegt Liu.

Tintelluride is slechts één voorbeeld van de vele topologische materialen die nog moeten worden onderzocht. Als onderzoekers voor elk van deze materialen de ideale korrelgrootte kunnen bepalen, Liu zegt dat topologische materialen binnenkort een levensvatbare, efficiënter alternatief voor het produceren van schone energie.

"Ik denk dat topologische materialen erg goed zijn voor thermo-elektrische materialen, en onze resultaten tonen aan dat dit een veelbelovend materiaal is voor toekomstige toepassingen, "zegt Liu.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.