При преобразовании энергии теряется много тепла. По оценкам, она даже превышает 70%. Однако в термоэлектрических материалах, таких как те, которые изучаются в Институте физики твердого тела Технического университета Вены, тепло может быть преобразовано непосредственно в электрическую энергию. Этот эффект (эффект Зеебека) можно использовать во многих приложениях в промышленности, а также в повседневной жизни.
Недавно исследовательская группа Эрнста Бауэра сделала захватывающее открытие в термоэлектрическом материале, состоящем из железа, ванадия и алюминия (Fe 2 VAl). Исследователи недавно опубликовали свои результаты в Nature Communications .
Идеальный термоэлектрический
Чтобы добиться максимально возможного эффекта преобразования энергии, исследователи ищут материалы, которые удовлетворяют ряду характеристик: они должны обладать большим эффектом Зеебека, высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью. Однако это чрезвычайно сложно, поскольку эти свойства взаимосвязаны и взаимозависимы. Поэтому исследователи задались вопросом, как должен выглядеть материал физически, чтобы наилучшим образом выполнить все эти условия.
Таким образом, физикам Технического университета Вены удалось найти новую концепцию, разрешающую это противоречие и одновременно оптимизирующую все термоэлектрические свойства в одном материале. «При так называемом переходе Андерсона, квантовом фазовом переходе из состояний локализованных электронов в подвижные, выполняются условия идеального термоэлектричества. Это означает, что все электроны проводимости имеют примерно одинаковую энергию», — сообщает Фабиан Гармруди, первый автор теории. исследование.
Переход Андерсона происходит в полупроводниках, когда добавляются примесные атомы, сильно связывающие их электроны. «По аналогии с льдинами в море, они изначально изолированы друг от друга и на них нельзя наступить. Однако, если количество льдин достаточно велико, у вас есть непрерывная связь, по которой вы можете пересечь море», — Фабиан Гармруди. проводит сравнение. Аналогичным образом это происходит и в твердых телах: если количество примесных атомов превышает критическое значение, электроны могут внезапно свободно перемещаться от одного атома к другому, и может течь электричество.
Атомы меняются местами, когда становится жарко
Переход Андерсона был продемонстрирован в тесном сотрудничестве с исследователями из Швеции и Японии, а также Венского университета и впервые был связан со значительным изменением термоэлектрических свойств. Команда сделала захватывающее открытие, когда нагрела материал до очень высоких температур, близких к температуре плавления.
«При высоких температурах атомы вибрируют так сильно, что время от времени меняют свои положения в решетке. Например, атомы железа оказываются там, где раньше были атомы ванадия. Нам удалось заморозить эту «атомную путаницу», которая возникает при высоких температурах, путем — называется «закалкой», то есть быстрым охлаждением на водяной бане», — сообщает Эрнст Бауэр. Эти дефекты неправильной формы служат точно той же цели, что и атомы примесей , упомянутые ранее, без необходимости изменения химического состава материала.
Преобразование энергии благодаря беспорядку
Во многих областях физики твердого тела интерес представляют материалы, максимально чистые и обладающие идеальной кристаллической структурой. Причина: регулярность атомов упрощает теоретическое описание физических свойств. В случае Fe 2VAl, однако именно несовершенства определяют большую часть термоэлектрических характеристик. В соседних дисциплинах также уже было показано, что нерегулярность может быть выгодной: «Фундаментальные исследования квантовых материалов являются хорошим примером этого. Там наука уже смогла показать, что беспорядок часто является необходимой приправой в «квантовом супе». , — говорит Андрей Пустогов, один из соавторов. «Теперь эта концепция пришла и в прикладные исследования твердотельных тел».
Теги: квант, энергия
