Forskere introducerer ny varmetransportteori i jagten på effektiv termoelektrik

NCCR MARVEL-forskere har udviklet en ny mikroskopisk teori, der er i stand til at beskrive varmetransport på meget generelle måder, og gælder lige så godt for ordnede eller uordnede materialer såsom krystaller eller glas og alt derimellem. Dette er ikke kun en vigtig første - ingen transportligning har hidtil været i stand til at tage højde for disse to regimer samtidigt - det viser også, overraskende, at varme kan tunnelere kvantemekanisk, snarere end at diffundere væk som en atomvibration. Den nye ligning tillader også den nøjagtige forudsigelse af ydeevnen af ​​termoelektriske materialer for første gang. Med ultralav, glas-lignende, varmeledningsevne, sådanne materialer er meget eftertragtede inden for energiforskning. De kan omdanne varme til elektricitet, eller bruge strøm til køling uden behov for pumper og miljøskadelige gasser.

Krystaller og glas leder varme på fundamentalt forskellige måder. Det regelmæssige arrangement af atomer i en krystal betyder, at varme ledes ved udbredelse af vibrationsbølger - det er, hvad der sker, for eksempel, i en siliciumchip i en computer.

I briller, som er uordnet ned til atomskalaen, varme overføres meget langsommere ved et tilfældigt hop af vibrationer. I 1929, fysikeren Rudolf Peierls lagde grundlaget for at beskrive varmeoverførsel, anvender Boltzmanns stadig nye transportteori på krystaller, og udledning af den berømte transportligning for fononer – den har været den trofaste i mikroskopiske teorier om varmeoverførsel lige siden.

Efter mange årtier, og styrket af det hastigt voksende felt af molekylær dynamik simuleringer, Philip Allen og Joseph Feldman fulgte op i 1989 med en ligning gældende for briller. Nu, MARVEL-forskere har fundet ud af, hvordan man kan udlede en mere generel formulering, der beskriver begge klasser af materialer lige godt, samt alt derimellem.

I papiret "United teori om termisk transport i krystaller og glas, "ud nu ind Naturfysik , EPFL Ph.D. studerende Michele Simoncelli, sammen med Nicola Marzari, direktør for NCCR MARVEL, og en professor ved Institut for Materialer, og kollega Francesco Mauri ved universitetet i Rom La Sapienza, udlede af en generel teori for dissipative kvantesystemer den mikroskopiske ligning, der tager hensyn til både de partikellignende og de bølgelignende egenskaber ved varmeoverførsel.

Det viser sig, at Peierls havde kasseret en nøglekomponent i varmeudbredelsen, hvor vibrationelle excitationer kan tunnelere, kvantelignende, fra en stat til en anden. Mens sådanne tunnelbidrag er ubetydelige i perfekte krystaller, de bliver mere relevante, efterhånden som et system bliver uordnet, og i et glas, de giver anledning til Allen-Feldman-formalismen. Men den nye ligning er meget mere generel og kan anvendes med samme nøjagtighed på ethvert materiale, omfatter fremkomsten og sameksistensen af ​​alle kendte vibrationsexcitationer. Kritisk, denne nye teori om varmeledning dækker materialer, der er både krystallignende og glaslignende - disse har stor teknologisk betydning, fordi de kan være meget gode termoelektriske, det er, materialer, der kan omdanne varme til elektricitet, eller elektricitet til køling.

Termoelektriske materialer har betydning i energianvendelser, fordi de genererer elektricitet fra tilgængelig varme, såsom den, der kommer fra industrielle processer, bil- og lastbilmotorer, eller fra solen. At have termoelektriske materialer, der er mere effektive (omkring tre gange den nuværende standard), ville fuldstændig ændre alle vores køle- og aircondition-teknologier, fordi termoelektriske materialer kan bruges omvendt og udnytte elektricitet til afkøling i stedet for at producere elektricitet fra varme. Især Albert Einstein arbejdede på køleskabe i otte år, fra 1926 til 1934, og på højden af ​​hans intellektuelle kræfter, sammen med sin elev Leó Szilárd, han patenterede et køleskab uden bevægelige dele, som det ville ske i et termoelektrisk køleskab.

Oprettelse af sådanne enheder, imidlertid, kræver en grundig forståelse af, hvordan og i hvilket omfang varme leder. Og indtil nu, teori og modellering har haft begrænset succes. En god termoelektrik skal være en elektrisk leder, og dermed ret krystallinsk, men også en termisk isolator, og dermed ret glasagtig – den skal være i stand til at bære og kondensere positive og negative ladninger på to forskellige sider af en enhed, skabe et elektrisk potentiale. At forsøge at behandle termoelektrik som enten krystaller eller glas i form af de varmetransportligninger, der er tilgængelige indtil nu, ville dog resultere i meget store fejl, og det har derfor været meget vanskeligt at forudsige deres effektivitet.

Den nye forståelse skitseret i papiret og mere nøjagtige estimater af termisk ledningsevne, sammen med data om den elektriske ledningsevne, vil give videnskabsfolk mulighed for at beregne termoelektriks "meritfigur", og give et skøn over deres effektivitet. Bevæbnet med denne vigtige information, forskere vil være i stand til at screene potentielle materialer først med beregningsteknikker, fremskynde udviklingsvejen for disse nye teknologier.