Sådan fryser du varmeledning

Fysikere har opdaget en ny effekt, hvilket gør det muligt at skabe fremragende varmeisolatorer, der leder elektricitet. Sådanne materialer kan bruges til at omdanne spildvarme til elektrisk energi.

Hver dag mister vi værdifuld energi i form af spildvarme - i tekniske enheder derhjemme, men også i store energisystemer. En del af det kunne genoprettes ved hjælp af den "termoelektriske effekt." Varmestrømmen fra en varm enhed til det kolde miljø kan omdannes direkte til elektrisk strøm. For at opnå det, imidlertid, materialer med helt særlige egenskaber er påkrævet. De skal være gode elektriske ledere, men dårlige varmeledere - to krav, som er vanskelige at forene.

Forskere over hele verden leder efter sådanne materialer. Visse materialer med en burlignende struktur har vist sig særligt lovende, for eksempel klatrater, som studeres på TU Wien. Nu, efter detaljerede undersøgelser, en bemærkelsesværdig effekt er blevet påvist, hvilket kan forklare disse materialers særlig lave varmeledningsevne.

Fængselsceller for atomer

"Clathrates er krystaller med en helt særlig struktur, "forklarer professor Silke Bühler-Paschen fra Institute of Solid State Physics ved Wiens teknologiske universitet." Deres krystalgitter indeholder små bure, hvor individuelle atomer er låst inde. Disse atomer kan svinge frem og tilbage i deres enkeltcelle, uden at se meget af resten af ​​krystallen. "

Varme i et fast stof er til stede i form af vibrationer i dets atomer. Når en krystal opvarmes, vibrationerne bliver stærkere, indtil, på et tidspunkt, bindinger mellem atomerne brydes, og krystallen smelter. "Der er to typer vibrationer, "siger Silke Bühler-Paschen." Hvis nabatomerne er stærkt bundet sammen, så kan vibrationen af ​​et atom overføres direkte til dets naboer, og en varmebølge spredes gennem materialet. Jo stærkere koblingen mellem atomerne, jo hurtigere bølgeudbredelse og jo større varmeledning. Imidlertid, hvis et atom kun er meget svagt bundet til sine naboer, ligesom atomet, der sidder i klathratburet, så er den stort set uafhængig af de andre, og hedebølgen er ekstremt langsom. "

Ny effekt:Den Kondo-lignende fononspredning

Som en del af sin afhandling med Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda fandt ud af, at det skyldes et vist samspil mellem disse to slags varmebølger, at klatrater er så gode varmeisolatorer. Matthias Ikeda udførte præcise og omfattende målinger. Serie af krystaller, hver med lidt forskellige egenskaber, blev produceret på TU Wien og omhyggeligt målt. "Til sidst, vi var i stand til at bevise, hvad ingen i første omgang ville tro os:der er en hidtil ukendt fysisk effekt, der undertrykker den termiske ledningsevne-vi kalder det Kondo-lignende fononspredning, ”siger Matthias Ikeda.

På grund af krystalstrukturen, et atom i klathratburet vibrerer fortrinsvis i to specifikke retninger. "Når der kommer en hedebølge, den kan - i kort tid - gå ind i en slags bunden tilstand med sådan en vibration. Varmebølgen ændrer atomets oscillationsretning i klathratburet, "siger Silke Bühler-Paschen." Denne proces bremser hedebølgen, og derfor reduceres varmeledningsevnen. Selvom klatrater leder elektricitet, de er gode varmeisolatorer. "

Bedre materiale til termoelektrisk

Dette er præcis den kombination af materialegenskaber, der er påkrævet for at bruge den termoelektriske effekt i industriel skala. Noget varmt er forbundet med noget koldt ved hjælp af det rigtige materiale, og energistrømmen imellem kan omdannes direkte til elektricitet. På den ene side, materialet skal lede elektrisk strøm, men på den ene side det bør ikke ækvilibrere temperaturerne ved at lede varmen for hurtigt, ellers kan effekten ikke længere bruges.

"Projektet var meget tidskrævende, ud over mange eksperimenter, omfattende computersimuleringer skulle udvikles for at forstå de kvantefysiske processer bag denne effekt, "siger Silke Bühler-Paschen." Men det var det værd:Med vores koncept om kondo-lignende fononspredning, det er nu meget lettere at forstå klathraters adfærd, og derfor kan vi arbejde mere målrettet for at finde de mest effektive materialer til termoelektriske applikationer. "