Materiaalwetenschappers van Duke University hebben een atomair mechanisme ontdekt dat bepaalde thermo-elektrische materialen ongelooflijk efficiënt maakt in de buurt van faseovergangen bij hoge temperaturen. De informatie zal helpen bij het opvullen van kritieke kennislacunes in de computationele modellering van dergelijke materialen, mogelijk waardoor onderzoekers nieuwe en betere opties kunnen ontdekken voor technologieën die afhankelijk zijn van het omzetten van warmte in elektriciteit.

De resultaten verschijnen op 4 september online in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Thermo-elektrische materialen zetten warmte om in elektriciteit wanneer elektronen migreren van de hete kant van het materiaal naar de koude kant. Omdat er een temperatuurverschil tussen de twee zijden nodig is, onderzoekers zijn geïnteresseerd in het proberen om deze materialen te gebruiken om elektriciteit op te wekken uit de warmte van de uitlaat van een auto of om energie terug te winnen die verloren gaat als warmte in energiecentrales.

In de afgelopen paar jaar, nieuwe records werden gevestigd voor thermo-elektrische efficiëntie met een opkomend materiaal genaamd tinselenide en zijn zusterverbinding, tinsulfide. De sulfideversie is nog niet zo goed thermo-elektrisch, maar het wordt verder geoptimaliseerd omdat het goedkoper te produceren en milieuvriendelijker is.

Hoewel wetenschappers weten dat beide verbindingen uitstekende thermo-elektrische materialen zijn, ze weten niet precies waarom. In de nieuwe studie Olivier Delaire, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke, en twee van zijn afgestudeerde studenten, Tyson Lanigan-Atkins en Shan Yang, geprobeerd om een ​​beetje van die kennislacune op te vullen.

"We wilden proberen te begrijpen waarom deze materialen zo'n lage thermische geleidbaarheid hebben, wat helpt bij het mogelijk maken van de sterke thermo-elektrische eigenschappen waar ze bekend om staan, " zei Delaire. "Met behulp van een krachtige combinatie van neutronenverstrooiingsmetingen en computersimulaties, we ontdekten dat het verband houdt met de atomaire trillingen van het materiaal bij hoge temperatuur, die niemand eerder had gezien."

Lage thermische geleidbaarheid is een noodzakelijk ingrediënt van elk goed thermo-elektrisch materiaal. Omdat elektriciteitsopwekking een warmteverschil tussen de twee zijden vereist, het is logisch dat materialen die voorkomen dat de warmte zich eroverheen verspreidt, goed presteren.

Om een ​​beeld te krijgen van de atomaire trillingen van tinsulfide in actie, Delaire en Lanigan-Atkins namen monsters naar de High Flux Isotope Reactor in het Oak Ridge National Laboratory. Door neutronen van de tinsulfide-atomen af ​​te ketsen en te detecteren waar ze daarna terechtkomen, de onderzoekers konden bepalen waar de atomen waren en hoe ze collectief in het kristalrooster trilden.

De faciliteiten van ORNL waren bijzonder geschikt voor de taak. Omdat de atomaire trillingen van tinsulfide relatief langzaam zijn, de onderzoekers hebben 'koude' neutronen met lage energie nodig die delicaat genoeg zijn om ze te zien. En ORNL heeft enkele van de beste koude-neutroneninstrumenten ter wereld.

"We ontdekten dat het tinsulfide in feite bepaalde trillingsmodi heeft die erg 'floppy' zijn, '" zei Delaire. "En dat zijn eigenschappen verband houden met inherente instabiliteit in zijn kristalrooster."

Bij lagere temperaturen, tinsulfide is een gelaagd materiaal met vervormde roosters van tin en sulfide die op elkaar liggen, gegolfd als een accordeon. Maar bij temperaturen in de buurt van het faseovergangspunt van 980 graden Fahrenheit - waar thermo-elektrische generatoren vaak werken - begint die vervormde omgeving af te breken. De twee lagen, als bij toverslag, weer onvervormd en symmetrisch worden, dat is waar de "floppiness" in het spel komt.

Omdat het materiaal bij hoge temperatuur tussen de twee structurele regelingen klotst, de atomen trillen niet langer samen als een goed gestemde gitaarsnaar, maar worden in plaats daarvan anharmonisch gedempt. Om dit beter te begrijpen, denk aan een auto met vreselijke schokken als een harmonische trilling - hij zal blijven stuiteren lang nadat hij over de geringste hobbel is gegaan. Maar goede schokken zullen die trillingen dempen, waardoor het anharmonisch wordt en het lange tijd stopt met oscilleren.

"Hittegolven reizen door atomaire trillingen in een materiaal, "zei Delaire. "Dus als de atomaire trillingen in tinsulfide slap worden, ze zenden trillingen niet erg snel uit en ze trillen ook niet erg lang. Dat is de hoofdoorzaak van zijn vermogen om te voorkomen dat warmte erin reist."

Met deze resultaten in de hand, Delaire en Yang probeerden ze vervolgens computationeel te bevestigen en te begrijpen. Met behulp van supercomputers in het Lawrence Berkeley National Laboratory, Yang was in staat om dezelfde anharmonische effecten te reproduceren bij hoge temperaturen. Naast het bevestigen van wat ze in de experimenten zagen, Delaire zegt dat deze bijgewerkte modellen onderzoekers in staat zullen stellen beter te zoeken naar nieuwe thermo-elektrische materialen voor gebruik in de technologieën van morgen.

"Onderzoekers in het veld hebben geen rekening gehouden met sterke temperatuurafhankelijkheid van warmtevoortplantingssnelheden, en deze modellering laat zien hoe belangrijk die variabele kan zijn, "zei Delaire. "Het aannemen van deze resultaten en andere theoretische vooruitgang zal het voor materiaalwetenschappers gemakkelijker maken om andere goede thermo-elektrische materialen te voorspellen."