Bij de omzetting van energie gaat veel warmte verloren. Schattingen schatten het zelfs op meer dan 70%. In thermo-elektrische materialen, zoals die worden bestudeerd aan het Institute of Solid State Physics van de TU Wien, kan warmte echter direct worden omgezet in elektrische energie. Dit effect (het Seebeck-effect) kan worden gebruikt in tal van toepassingen in de industrie maar ook in het dagelijks leven.

Onlangs deed het onderzoeksteam van Ernst Bauer een opwindende ontdekking in een thermo-elektrisch materiaal dat bestaat uit ijzer, vanadium en aluminium (Fe₂ VAL). De onderzoekers publiceerden onlangs hun resultaten in Nature Communications .

De ideale thermo-elektrische

Om een ​​zo groot mogelijk energieconversie-effect te bereiken, zoeken onderzoekers naar materialen die aan een aantal kenmerken voldoen:ze moeten een groot Seebeck-effect, een hoge elektrische geleidbaarheid en een lage thermische geleidbaarheid hebben. Dit is echter buitengewoon moeilijk omdat deze eigenschappen met elkaar samenhangen en onderling afhankelijk zijn. Daarom vroegen de onderzoekers zich af hoe een materiaal er fysiek uit zou moeten zien om zo goed mogelijk aan al deze voorwaarden te voldoen.

Zo zijn natuurkundigen van de TU Wien erin geslaagd een nieuw concept te vinden om deze tegenstelling op te lossen en tegelijkertijd alle thermo-elektrische eigenschappen in één materiaal te optimaliseren. "Bij de zogenaamde Anderson-transitie, een kwantumfaseovergang van gelokaliseerde naar mobiele elektronentoestanden, wordt voldaan aan de voorwaarden voor het ideale thermo-elektrische apparaat. Dit betekent dat alle geleidingselektronen ongeveer dezelfde energie hebben", meldt Fabian Garmroudi, eerste auteur van de studeren.

De Anderson-overgang vindt plaats in halfgeleiders wanneer onzuivere atomen worden toegevoegd, waardoor hun elektronen sterk worden gebonden. "Analoog aan ijsschotsen in de zee, deze zijn in eerste instantie geïsoleerd van elkaar en kunnen niet betreden worden. Als het aantal ijsschotsen echter groot genoeg is, heb je een doorlopende verbinding waardoor je de zee kunt oversteken", Fabian Garmroudi trekt een vergelijking. Bij vaste stoffen gebeurt dit op een vergelijkbare manier:als het aantal onzuiverheidsatomen een kritische waarde overschrijdt, kunnen de elektronen plotseling vrij van het ene atoom naar het andere bewegen en kan er elektriciteit vloeien.

Atomen wisselen van plaats als het heet wordt

De Anderson-transitie werd gedemonstreerd in nauwe samenwerking met onderzoekers uit Zweden en Japan, evenals de Universiteit van Wenen, en werd voor het eerst in verband gebracht met een significante verandering in thermo-elektrische eigenschappen. Het team deed de opwindende ontdekking toen ze het materiaal verhitten tot zeer hoge temperaturen, dicht bij het smeltpunt.

“Bij hoge temperaturen trillen de atomen zo sterk dat ze af en toe van roosterpositie wisselen. Zo bevinden ijzeratomen zich dan waar voorheen vanadiumatomen zaten. - 'quenching' genoemd, dat wil zeggen snel afkoelen in een waterbad", meldt Ernst Bauer. Deze onregelmatige defecten dienen precies hetzelfde doel als de eerder genoemde onzuiverheidsatomen, zonder dat de chemische samenstelling van het materiaal hoeft te worden gewijzigd.

Energieomzetting dankzij wanorde

In veel onderzoeksgebieden van de vastestoffysica is men geïnteresseerd in materialen die zo puur mogelijk zijn en een ideale kristalstructuur hebben. De reden:de regelmaat van de atomen vereenvoudigt een theoretische beschrijving van de fysische eigenschappen. In het geval van Fe₂ VAL zijn echter juist de onvolkomenheden die verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van de thermo-elektrische prestaties. Ook in aangrenzende disciplines is al aangetoond dat onregelmatigheden voordelig kunnen zijn:“Basisonderzoek naar kwantummaterialen is daar een goed voorbeeld van. Daar heeft de wetenschap al kunnen aantonen dat wanorde vaak het noodzakelijke kruid is in de ‘quantumsoep’ ', zegt Andrej Pustogow, een van de co-auteurs. "Nu is dit concept ook aangekomen in het toegepaste vastestofonderzoek." + Verder verkennen

Arseen helpt zwarte fosfor stabiel te maken voor energie-efficiëntie