Natuurkundigen hebben een nieuw effect ontdekt, waardoor het mogelijk is om uitstekende thermische isolatoren te creëren die elektriciteit geleiden. Dergelijke materialen kunnen worden gebruikt om restwarmte om te zetten in elektrische energie.

Elke dag verliezen we waardevolle energie in de vorm van restwarmte - in technische apparaten thuis, maar ook in grote energiesystemen. Een deel ervan kan worden teruggewonnen met behulp van het 'thermo-elektrische effect'. De warmtestroom van een heet apparaat naar de koude omgeving kan direct worden omgezet in elektrisch vermogen. Om dat te bereiken, echter, materialen met zeer speciale eigenschappen zijn vereist. Het moeten goede elektrische geleiders zijn, maar slechte thermische geleiders - twee vereisten die moeilijk met elkaar te verzoenen zijn.

Onderzoekers over de hele wereld zijn op zoek naar dergelijke materialen. Bepaalde materialen met een kooiachtige structuur zijn bijzonder veelbelovend gebleken, bijvoorbeeld clathrates, die worden gestudeerd aan de TU Wien. Nutsvoorzieningen, na uitgebreid onderzoek, een opmerkelijk effect is aangetoond, wat de bijzonder lage thermische geleidbaarheid van deze materialen kan verklaren.

Gevangeniscellen voor atomen

"Clathrates zijn kristallen met een heel bijzondere structuur, " legt professor Silke Bühler-Paschen van het Instituut voor Vaste-stoffysica van de Technische Universiteit van Wenen uit. "Hun kristalrooster bevat kleine kooien waarin individuele atomen zijn opgesloten. Deze atomen kunnen heen en weer oscilleren in hun enkele cel, zonder veel van de rest van het kristal te zien."

Warmte in een vaste stof is aanwezig in de vorm van trillingen van zijn atomen. Wanneer een kristal wordt verwarmd, de trillingen worden sterker totdat, op een gegeven moment, de bindingen tussen de atomen worden verbroken en het kristal smelt. "Er zijn twee soorten trillingen, " zegt Silke Bühler-Paschen. "Als naburige atomen sterk aan elkaar gebonden zijn, dan kan de trilling van een atoom direct worden overgedragen op zijn buren en verspreidt een hittegolf zich door het materiaal. Hoe sterker de koppeling tussen de atomen, hoe sneller de voortplanting van de golf en hoe groter de warmtegeleiding. Echter, als een atoom slechts zeer zwak aan zijn buren is gebonden, net als het atoom dat in de kooi van clathraat zit, dan is het grotendeels onafhankelijk van de anderen en is de hittegolf extreem traag."

Nieuw effect:de Kondo-achtige fononverstrooiing

Als onderdeel van zijn proefschrift bij Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda ontdekte dat het door een bepaalde interactie tussen deze twee soorten hittegolven is dat clathraten zulke goede thermische isolatoren zijn. Matthias Ikeda voerde nauwkeurige en uitgebreide metingen uit. Reeks kristallen, elk met iets andere eigenschappen, werden geproduceerd aan de TU Wien en zorgvuldig gemeten. "Uiteindelijk, we konden bewijzen wat niemand ons eerst wilde geloven:er is een tot nu toe onbekend fysiek effect dat de thermische geleidbaarheid onderdrukt - we noemen het Kondo-achtige fononverstrooiing, ', zegt Matthias Ikeda.

Door de kristalstructuur een atoom in de clathraatkooi trilt bij voorkeur in twee specifieke richtingen. "Als er een hittegolf komt, het kan - voor een korte tijd - een soort gebonden toestand ingaan met zo'n trilling. De hittegolf verandert de oscillatierichting van het atoom in de clathraatkooi, " zegt Silke Bühler-Paschen. "Dit proces vertraagt ​​de hittegolf, en dus wordt de warmtegeleiding verminderd. Hoewel clathraten elektriciteit geleiden, het zijn goede thermische isolatoren."

Beter materiaal voor thermo-elektriciteit

Dit is precies de combinatie van materiaaleigenschappen die nodig is om het thermo-elektrisch effect op industriële schaal toe te passen. Iets warms is verbonden met iets kouds met behulp van het juiste materiaal, en de energiestroom daartussen kan direct worden omgezet in elektriciteit. Aan de ene kant, het materiaal moet elektrische stroom geleiden, maar aan de ene kant het mag de temperaturen niet in evenwicht brengen door de warmte te snel te geleiden, anders kan het effect niet meer worden gebruikt.

"Het project kostte veel tijd, naast talrijke experimenten, er moesten uitgebreide computersimulaties worden ontwikkeld om de kwantumfysische processen achter dit effect te begrijpen, ", zegt Silke Bühler-Paschen. "Maar het was het waard:met ons concept van Kondo-achtige fononverstrooiing, het is nu veel gemakkelijker om het gedrag van clathraten te begrijpen en daarom kunnen we doelgerichter werken aan het vinden van de meest efficiënte materialen voor thermo-elektrische toepassingen."