Эффективность термоэлектриков улучшат нанотехнологии

В Университете Колорадо найден способ, как радикально улучшить термоэлектрические материалы. В будущем, это открытие может позволить усовершенствовать солнечные батареи, системы охлаждения, а также создать новые устройства, преобразующие в электричество огромные количества энергии, теряемой электростанциями в виде тепла.

С самого момента их открытия в XIX веке, практическое применение термоэлектриков сдерживалось присущей им фундаментальной проблемой. Температурный градиент одновременно с электрическим током вызывал перенос тепла, уравнивающий температуры на разных концах проводника, что снижало эффективность преобразования энергии.

Для решения этой проблемы, специалисты в области материаловедения до недавнего времени пытались найти и синтезировать новое вещество, проводящее электричество намного лучше, чем тепло. Однако прогресс, достигнутый за последние 20 лет в нанотехнологиях, предоставил исследователям возможность попытаться сконструировать материал, обладающий нужными качествами.

Вводимые в термоэлектрики дефекты (поры или наночастицы), как оказалось, действительно могли препятствовать распространению тепла. Но даже в лучших сценариях течение электронов при этом также замедлялось.

Принципиально новая концепция «нанофононного материала», представленная на страницах Physical Review Letters, предусматривает создание на поверхности термоэлектрика, такого как кремний, массива наностержней. Тепло переносится через твердое тело в форме механических колебаний, известных под названием фононы. Атомы, образующие наностержни, также колеблются с различными частотами. Выполненное авторами работы компьютерное моделирование показало, что вибрации стержней могут вступать во взаимодействие с фононами, замедляя распространение тепла. И, разумеется, такие стержни, по сути, выступы на поверхности проводника, никак не могут влиять на электрический ток.

Численные оценки свидетельствуют, что за счет наностержней тепловой поток может ослабляться вдвое, однако в действительности выигрыш может быть гораздо больше, поскольку, как указывают исследователи, вычисления выполнялись на основе весьма консервативных допущений. Для выяснения этого требуется провести лабораторные испытания на реальном образце такого термоэлектрического наноматериала, к созданию которого участники приступят на следующем этапе проекта.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365