Nye materialer, opvarmet under høje magnetfelter, kunne producere rekordniveauer af energi, model viser

Forestil dig at kunne drive din bil dels fra den varme, som motoren afgiver. Eller hvad hvis du kunne få en del af dit hjems elektricitet fra den varme, et kraftværk udsender? Sådanne energieffektive scenarier kan en dag være mulige med forbedringer i termoelektriske materialer-som spontant producerer elektricitet, når den ene side af materialet opvarmes.

I løbet af de sidste 60 år eller deromkring, forskere har undersøgt en række materialer for at karakterisere deres termoelektriske potentiale, eller effektiviteten, hvormed de omdanner varme til strøm. Men til dato, de fleste af disse materialer har givet effektiviteter, der er for lave til nogen udbredt praktisk anvendelse.

MIT -fysikere har nu fundet en måde at øge termoelektricitetens potentiale betydeligt, med en teoretisk metode, som de rapporterer i dag i Videnskab fremskridt . Det materiale, de modellerer med denne metode, er fem gange mere effektivt, og potentielt kunne generere dobbelt så meget energi, som de bedste termoelektriske materialer, der findes i dag.

"Hvis alt fungerer som det er i vores vildeste drømme, så pludselig, mange ting der lige nu er for ineffektive til at blive mere effektive, "siger hovedforfatter Brian Skinner, en postdoc i MIT's Research Laboratory of Electronics. "Du kan måske se i folks biler små termoelektriske genvindere, der tager den spildvarme, din bilmotor slukker, og brug den til at genoplade batteriet. Eller disse anordninger kan placeres rundt om kraftværker, så varme, der tidligere var spildt af din atomreaktor eller kulkraftværk, nu genvindes og sættes i elnettet. "

Skinners medforfatter på papiret er Liang Fu, Sarah W. Biedenharn Career Development lektor i fysik ved MIT.

At finde huller i en teori

Et materiales evne til at producere energi fra varme er baseret på dets elektroners adfærd i nærvær af en temperaturforskel. Når den ene side af et termoelektrisk materiale opvarmes, det kan give elektroner energi til at springe væk fra den varme side og akkumulere på den kolde side. Den resulterende ophobning af elektroner kan skabe en målbar spænding.

Materialer, der hidtil er blevet undersøgt, har genereret meget lidt termoelektrisk effekt, dels fordi elektroner er relativt vanskelige at termisk aktivere. I de fleste materialer, elektroner findes i bestemte bånd, eller energiområder. Hvert bånd er adskilt af et hul - en lille række energier, hvor elektroner ikke kan eksistere. Det har været ekstremt udfordrende at energisere elektroner nok til at krydse et båndgab og fysisk migrere hen over et materiale.

Skinner og Fu besluttede at se på det termoelektriske potentiale i en familie af materialer kendt som topologiske semimetaller. I modsætning til de fleste andre faste materialer, såsom halvledere og isolatorer, topologiske semimetaller er unikke ved, at de har nulbåndsmellemrum - en energikonfiguration, der gør det muligt for elektroner let at hoppe til højere energibånd, når de opvarmes.

Forskere havde antaget, at topologiske semimetaller, en relativt ny type materiale, der stort set er syntetiseret i laboratoriet, ville ikke generere meget termoelektrisk effekt. Når materialet opvarmes på den ene side, elektroner får strøm, og samler sig i den anden ende. Men da disse negativt ladede elektroner hopper til højere energibånd, de efterlader det, der er kendt som "huller" - partikler med positiv ladning, der også hober sig op på materialets kolde side, annullere elektronernes effekt og producere meget lidt energi i sidste ende.

Men teamet var ikke helt klar til at rabatere dette materiale. I en uafhængig smule forskning, Skinner havde bemærket en mærkelig effekt i halvledere, der udsættes for et stærkt magnetfelt. Under sådanne forhold, magnetfeltet kan påvirke elektroners bevægelse, bøjer deres bane. Skinner og Fu spekulerede på:Hvilken slags effekt kan et magnetfelt have i topologiske semimetaller?

De konsulterede litteraturen og fandt ud af, at et team fra Princeton University, i forsøget på fuldt ud at karakterisere en type topologisk materiale kendt som blytinselenid, havde også målt sine termoelektriske egenskaber under et magnetfelt i 2013. Blandt deres mange observationer af materialet, forskerne havde rapporteret at se en stigning i termoelektrisk generation, under et meget højt magnetfelt på 35 tesla (de fleste MR -maskiner, til sammenligning, operere omkring 2 til 3 tesla).

Skinner og Fu brugte egenskaberne af materialet fra Princeton -undersøgelsen til teoretisk at modellere materialets termoelektriske ydeevne under en række temperatur- og magnetfeltforhold.

"Til sidst fandt vi ud af, at under et stærkt magnetfelt, der sker en sjov ting, hvor du kunne få elektroner og huller til at bevæge sig i modsatte retninger, "Skinner siger." Elektroner går mod den kolde side, og huller mod den varme side. De arbejder sammen og i princippet, du kunne få en større og større spænding ud af det samme materiale bare ved at gøre magnetfeltet stærkere. "

Tesla strøm

I deres teoretiske modellering, gruppen beregnede bly tin selenids ZT, eller fortjenstfigur, en mængde, der fortæller dig, hvor tæt dit materiale er på den teoretiske grænse for at generere strøm fra varme. De mest effektive materialer, der hidtil er blevet rapporteret, har en ZT på ca. 2. Skinner og Fu fandt ud af, at under et stærkt magnetfelt på omkring 30 tesla, bly tin selenid kan have en ZT på cirka 10-fem gange mere effektiv end den bedst effektive termoelektriske.

"Det er langt fra skalaen, "Skinner siger." Da vi først faldt over denne idé, det virkede lidt for dramatisk. Det tog et par dage at overbevise mig selv om, at det hele tilføjer sig. "

De beregner, at et materiale med en ZT lig med 10, ved opvarmning ved stuetemperatur til ca. 500 kelvin, eller 440 grader Fahrenheit, under et 30-tesla magnetfelt, skulle kunne omsætte 18 procent af den varme til elektricitet, sammenlignet med materialer med en ZT lig med 2, som kun ville kunne omdanne 8 procent af den varme til energi.

Gruppen erkender, at at opnå så høj effektivitet, nuværende tilgængelige topologiske semimetaller skulle opvarmes under et ekstremt højt magnetfelt, der kun kunne produceres af en håndfuld faciliteter i verden. For at disse materialer er praktiske til brug i kraftværker eller biler, de skal fungere i området 1 til 2 tesla.

Fu siger, at dette burde kunne lade sig gøre, hvis et topologisk semimetal var ekstremt rent, hvilket betyder, at der er meget få urenheder i materialet, der ville komme i vejen for elektroners strømning.

"At gøre materialer meget rene er meget udfordrende, men folk har dedikeret en stor indsats til vækst af disse materialer af høj kvalitet, "Siger Fu.

Han tilføjer, at bly tin selenid, det materiale, de fokuserede på i deres undersøgelse, er ikke det reneste topologiske semimetal, som forskere har syntetiseret. Med andre ord, der kan være andre, renere materialer, der kan generere den samme mængde termisk effekt med et meget mindre magnetfelt.

"Vi kan se, at dette materiale er et godt termoelektrisk materiale, men der burde være bedre, "Fu siger." En tilgang er at tage det bedste [topologiske semimetal], vi har nu, og anvende et magnetfelt på 3 tesla. Det må ikke øge effektiviteten med en faktor 2, men måske 20 eller 50 procent, hvilket allerede er et ret stort fremskridt. "

Teamet har indgivet patent på deres nye termolelektriske tilgang og samarbejder med Princeton -forskere om eksperimentelt at teste teorien.