Als je ooit een ritje hebt gemaakt in een luxe auto en voelde dat je rug werd verwarmd of gekoeld door een op stoelen gebaseerd klimaatbeheersingssysteem, dan heb je waarschijnlijk de voordelen ervaren van een klasse materialen die thermo-elektriciteit wordt genoemd. Thermo-elektrische materialen zetten warmte om in elektriciteit, en vice versa, en ze hebben veel voordelen ten opzichte van meer traditionele verwarmings- en koelsystemen.

Onlangs, onderzoekers hebben waargenomen dat de prestaties van sommige thermo-elektrische materialen kunnen worden verbeterd door verschillende vaste fasen te combineren - meer dan één materiaal vermengd, zoals de klonten vet en vlees in een plakje salami. De waarnemingen bieden het verleidelijke vooruitzicht om de energie-efficiëntie van thermo-elektriciteit aanzienlijk te verhogen, maar wetenschappers missen nog steeds de tools om volledig te begrijpen hoe de bulkeigenschappen ontstaan ​​uit combinaties van vaste fasen.

Nu heeft een onderzoeksteam van het California Institute of Technology (Caltech) een nieuwe manier ontwikkeld om de elektrische eigenschappen van thermo-elektrische materialen met twee of meer vaste fasen te analyseren. De nieuwe techniek kan onderzoekers helpen om meerfasige thermo-elektrische eigenschappen beter te begrijpen - en tips geven over hoe nieuwe materialen kunnen worden ontworpen om de beste eigenschappen te krijgen.

Het team beschrijft hun nieuwe techniek in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

Een oude theorie doet een 180

Omdat het soms moeilijk is om de pure componenten waaruit meerfasige materialen bestaan, afzonderlijk te vervaardigen, onderzoekers kunnen de zuivere fase-eigenschappen niet altijd direct meten. Het Caltech-team overwon deze uitdaging door een manier te ontwikkelen om de elektrische eigenschappen van afzonderlijke fasen te berekenen, terwijl alleen rechtstreeks met het composiet wordt geëxperimenteerd.

"Het is alsof je chocoladekoekjes hebt gemaakt, en je wilt weten hoe de chocoladeschilfers en het beslag op zichzelf smaken, maar je kunt niet, omdat elke hap die je neemt zowel chocoladeschilfers als beslag bevat, " zei Jeff Snyder, een onderzoeker bij Caltech die gespecialiseerd is in thermo-elektrische materialen en apparaten.

Om de "chips" en "beslag" te scheiden zonder het koekje te verwijderen, Snyder en zijn collega's wendden zich tot een decennia oude theorie, zogenaamde effectieve mediumtheorie, en ze gaven er een nieuwe draai aan.

"Effectieve mediumtheorie is vrij oud, " zei Tristan Dag, een afgestudeerde student in het Caltech-laboratorium van Snyder en eerste auteur van het APL-papier. De theorie wordt traditioneel gebruikt om de eigenschappen van een bulkcomposiet te voorspellen op basis van de eigenschappen van de afzonderlijke fasen. "Het nieuwe aan wat we deden, is dat we een composiet hebben genomen, en vervolgens de eigenschappen van elke samenstellende fase terugtrokken, " zei Dag.

De sleutel tot het laten werken van de omkering ligt in de verschillende manier waarop elk onderdeel van een composiet thermo-elektrisch materiaal reageert op een magnetisch veld. Door bepaalde elektrische eigenschappen te meten over een reeks verschillende magnetische veldsterkten, de onderzoekers konden de invloed van de twee verschillende fasen uit elkaar halen.

Het team testte hun methode op de veel bestudeerde thermo-elektrische Cu1.97 Ag0.03Se, die bestaat uit een hoofdkristalstructuur van Cu2Se en een onzuiverheidsfase met de kristalstructuur van CuAgSe.

Temperatuurregeling van de toekomst?

Thermo-elektrische materialen worden momenteel in veel nichetoepassingen gebruikt, inclusief autostoelen met airconditioning, wijnkoelers, en medische koelkasten voor het bewaren van temperatuurgevoelige medicijnen.

"De duidelijke voordelen van het gebruik van thermo-elektriciteit zijn dat er geen bewegende delen in het koelmechanisme zijn, en je hoeft niet dezelfde temperatuurschommelingen te hebben die typisch zijn voor een koelkast met compressor die elk half uur aangaat, rammelt een beetje en gaat dan uit, ' zei Snoeder.

Een van de nadelen van de thermo-elektrische koelsystemen, echter, is hun energieverbruik.

Indien gebruikt op dezelfde manier als een op een compressor gebaseerd koelsysteem, de meeste commerciële thermo-elektrische apparaten zouden ongeveer 3 keer meer energie nodig hebben om hetzelfde koelvermogen te leveren. Theoretische analyse suggereert dat de energie-efficiëntie van thermo-elektriciteit aanzienlijk kan worden verbeterd als de juiste materiaalcombinaties en structuren worden gevonden, en dit is een gebied waar de nieuwe berekeningsmethoden van Synder en zijn collega's kunnen helpen.

Veel van de prestatievoordelen van meerfasige thermo-elektriciteit kunnen afkomstig zijn van kwantumeffecten die worden gegenereerd door structuren op micro- en nanoschaal. De berekeningen van de Caltech-onderzoekers maken klassieke aannames, maar Snyder merkt op dat discrepanties tussen de berekeningen en waargenomen eigenschappen nanoschaaleffecten kunnen bevestigen.

Snyder wijst er ook op dat, hoewel thermo-elektrisch materiaal mogelijk minder energie-efficiënt is dan compressoren, hun kleine formaat en veelzijdigheid betekenen dat ze op slimmere manieren kunnen worden gebruikt om het energieverbruik te verminderen. Bijvoorbeeld, thermo-elektrische verwarmingen of koelers kunnen in strategische gebieden rond een auto worden geplaatst, zoals de stoel en het stuur. De thermo-elektrische systemen zouden het gevoel van warmte of koelte voor de bestuurder creëren zonder de energie te verbruiken om de temperatuur van de hele cabine te veranderen.

"Ik weet niet hoe het met jou zit, maar als ik me niet op mijn gemak voel in een auto, is dat omdat ik op een hete stoel zit en mijn achterkant heet is, " zei Snyder. "In principe, 100 watt koeling op een autostoeltje zou 1000 watt in de cabine kunnen vervangen."

uiteindelijk, het team wil hun nieuwe kennis van thermo-elektriciteit gebruiken om 'slimme' materialen op maat te ontwerpen met de juiste eigenschappen voor elke specifieke toepassing.

"We hebben veel plezier omdat we onszelf zien als materiaalingenieurs met het periodiek systeem en microstructuren als onze speeltuinen, ' zei Snoeder.