MIT-Ingenieure haben es gerade viel einfacher gemacht, Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Das Team nahm traditionelle thermoelektrische Geräte und erfand sie mit "topologischen" Materialien neu.
Ein topologischer Isolator sind Materialien, die das Innere isolieren, aber die Elektronenbewegung auf der Oberfläche eines Objekts unterstützen. Für Postdoc Te-Huan Liu von der Maschinenbauabteilung des MIT ist die einzigartige Physik topologischer Materialien genau das, was sein Team für die Entdeckung verwendet hat.
"Wir haben festgestellt, dass wir die Grenzen dieses nanostrukturierten Materials so verschieben können, dass topologische Materialien ein gutes thermoelektrisches Material sind, mehr als herkömmliche Halbleiter wie Silizium", sagte er in einem Interview mit dem MIT.Dies könnte ein sauberer Weg sein, um mithilfe einer Wärmequelle Strom zu erzeugen, wodurch unsere Freisetzung von Kohlendioxid verringert wird. "
Thermoelektrische Geräte werden derzeit zur Stromversorgung von Anwendungen mit relativ geringem Stromverbrauch verwendet. Sie funktionieren in den letzten Jahren bei Ölleitungssensoren an fast allen Raumsonden, in thermoelektrischen Generatoren für Kraftfahrzeuge zur Steigerung der Kraftstoffeffizienz und sogar bei einigen Minikühlmaschinen. Sie können es sogar seinin Kraftwerken gefunden, um überschüssige Abwärme in zusätzlichen Strom umzuwandeln. Die Ergebnisse von Liu und dem Team könnten jedoch die von therma erzeugte Energie erhöhen. l dreimal mehr als das, was traditionell für möglich gehalten wird.
Aber wie funktioniert es? Wenn ein Ende der traditionellen thermoelektrische Materialien werden erwärmt und auf der anderen Seite gekühlt, Elektronen fließen vom heißen zum kalten Ende und erzeugen elektrischen Strom. Je größer dieser Temperaturunterschied ist, desto höher ist der Strom. Die Menge der erzeugten Energie hängt auch von den Eigenschaften des Materials selbst ab.
Frühere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass topologische Matierale tatsächlich nanostrukutiert und strukturiert werden können, um ihre Fähigkeit zu verbessern, den Strom letztendlich zu erhöhen. Liu und sein Team wollten genau sehen, wie viel von diesem Schub vom topologischen Matieral selbst kam und wie viel davon stammtes könnte umstrukturiert werden.
Um diese Antworten zu erhalten, untersuchte Liu die Leistung von Zinn-Tellurid - einem der besten thermoelektrischen topologischen Materialien. Der Halbleiter ist häufig mit Blei legiert, das in Infrarotdetektoren verwendet wird.
Um die Nanostruktur gegen die natürliche Leistung zu messen, hat das Team die durchschnittliche Entfernung gemessen, die ein Elektron mit einer bestimmten Energie in einem Material zurücklegen würde, bevor es durch Defekte in diesem Material gestreut wird. Dies ist ein häufig verwendeter Prozess, der als "mittlerer freier Pfad" bezeichnet wird. "
Das Team stellte schließlich fest, dass Elektronen mit höherer Energie, je kleiner die Korngröße eines Materials ist, mehr elektrischen Strom leiten, da sie weniger wahrscheinlich gestreut werden. Daher gibt es einen größeren Raum für Spannungsverbesserungen. Das beste Szenario, das die Forscher gefunden habenDurch Verringern der Korngröße von Zinn-Tellurid auf nur 10 Nanometer erhielten sie die dreifache Menge an Elektrizität, die mit einem größeren Korn geschehen wäre.
Nach den Recherchen :
" Nanostrukturierte Materialien ähneln einem Flickenteppich aus winzigen Kristallen mit jeweils als Korngrenzen bezeichneten Rändern, die einen Kristall voneinander trennen. Wenn Elektronen auf diese Grenzen treffen, neigen sie dazu, auf verschiedene Weise zu streuen. Elektronen mit langen mittleren freien Pfaden streuen starkwie Kugeln, die von einer Wand abprallen, während Elektronen mit kürzeren mittleren freien Pfaden viel weniger betroffen sind. "
„In unseren Simulationen haben wir festgestellt, dass wir die Korngröße eines topologischen Materials viel stärker verkleinern können als bisher angenommen, und basierend auf diesem Konzept können wir seine Effizienz steigern“, sagte Liu.
Letztendlich sagten Liu und das Team, dass diese Entdeckung Ingenieuren helfen könnte, intelligentere Geräte herzustellen, die Energie effektiver nutzen und nichts verschwenden - nicht einmal die Wärmeabgabe.
Via : MIT