Floppy atomdynamik hjælper med at omdanne varme til elektricitet

Materialeforskere ved Duke University har afsløret en atommekanisme, der gør visse termoelektriske materialer utrolig effektive nær højtemperaturfaseovergange. Informationen vil hjælpe med at udfylde kritiske videnhuller i beregningsmodelleringen af ​​sådanne materialer, potentielt giver forskere mulighed for at opdage nye og bedre muligheder for teknologier, der er afhængige af at omdanne varme til elektricitet.

Resultaterne vises online den 4. september i tidsskriftet Naturkommunikation .

Termoelektriske materialer omdanner varme til elektricitet, når elektroner migrerer fra den varme side af materialet til den kolde side. Fordi der kræves en temperaturforskel mellem de to sider, forskere er interesserede i at forsøge at bruge disse materialer til at generere elektricitet fra varmen fra en bils udstødningsrør eller genvinde energi tabt som varme i kraftværker.

I løbet af de sidste par år har der blev sat nye rekorder for termoelektrisk effektivitet med et fremvoksende materiale kaldet tinselenid og dets søsterforbindelse, tinsulfid. Sulfidversionen er ikke helt så god en termoelektrisk endnu, men det bliver optimeret yderligere, fordi det er billigere at producere og mere miljøvenligt.

Mens forskere ved, at begge disse forbindelser er fremragende termoelektriske materialer, de ved ikke lige hvorfor. I den nye undersøgelse, Olivier Delaire, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke, og to af hans kandidatstuderende, Tyson Lanigan-Atkins og Shan Yang, forsøgte at udfylde lidt af det videnshul.

"Vi ønskede at prøve at forstå, hvorfor disse materialer har så lav varmeledningsevne, som hjælper med at aktivere de stærke termoelektriske egenskaber, de er kendt for, " sagde Delaire. "Ved at bruge en kraftfuld kombination af neutronspredningsmålinger og computersimuleringer, vi opdagede, at det er relateret til materialets atomare vibrationer ved høj temperatur, som ingen havde set før."

Lav termisk ledningsevne er en nødvendig ingrediens i ethvert godt termoelektrisk materiale. Fordi elproduktion kræver en varmeforskel mellem de to sider, det giver mening, at materialer, der forhindrer varme i at sprede sig over dem, ville fungere godt.

For at få et overblik over tinsulfids atomvibrationer i aktion, Delaire og Lanigan-Atkins tog prøver til High Flux Isotope Reactor på Oak Ridge National Laboratory. Ved at rive neutroner væk fra tinsulfidets atomer og opdage, hvor de ender efter, forskerne kunne fastslå, hvor atomerne var, og hvordan de tilsammen vibrerede i krystallens gitter.

Faciliteterne på ORNL var særligt velegnede til opgaven. Fordi de atomare vibrationer af tinsulfid er relativt langsomme, forskerne har brug for lavenergi "kolde" neutroner, der er sarte nok til at se dem. Og ORNL har nogle af de bedste koldneutroninstrumenter i verden.

"Vi fandt ud af, at tinsulfidet effektivt har visse vibrationsmåder, der er meget "floppy", "" sagde Delaire. "Og at dets egenskaber er forbundet med iboende ustabilitet i dets krystalgitter."

Ved lavere temperaturer, tinsulfid er et lagdelt materiale med forvrængede gitre af tin og sulfid, der ligger oven på et andet, bølgepap som en harmonika. Men ved temperaturer nær dets faseovergangspunkt på 980 grader Fahrenheit - det er her termoelektriske generatorer ofte fungerer - begynder det forvrængede miljø at bryde sammen. De to lag, som ved et trylleslag, bliver uforvrænget igen og mere symmetrisk, det er her "floppen" kommer i spil.

Fordi materialet skvulper mellem de to strukturelle arrangementer ved høj temperatur, dens atomer vibrerer ikke længere sammen som en velafstemt guitarstreng og bliver i stedet anharmonisk dæmpet. For at forstå dette bedre, tænk på en bil med forfærdelige stød som havende en harmonisk vibration – den vil blive ved med at hoppe længe efter at have kørt over det mindste bump. Men ordentlige stød vil dæmpe den vibration, gør den anharmonisk og forhindrer den i at svinge i lang tid.

"Varmebølger rejser gennem atomare vibrationer i et materiale, " sagde Delaire. "Så når atomvibrationerne i tinsulfid bliver floppy, de overfører ikke vibrationer særlig hurtigt, og de vibrerer heller ikke ret længe. Det er grundårsagen til dens evne til at forhindre varmen i at bevæge sig i den."

Med disse resultater i hånden, Delaire og Yang søgte derefter at bekræfte og forstå dem beregningsmæssigt. Brug af supercomputere på Lawrence Berkeley National Laboratory, Yang var i stand til at gengive de samme anharmoniske effekter ved høje temperaturer. Udover at bekræfte, hvad de så i eksperimenterne, Delaire siger, at disse opdaterede modeller vil give forskere mulighed for bedre at søge efter nye termoelektriske materialer til brug i morgendagens teknologier.

"Forskere på området har ikke taget højde for stærk temperaturafhængighed af varmeudbredelseshastigheder, og denne modellering viser, hvor vigtig den variabel kan være, " sagde Delaire. "Ved at vedtage disse resultater og andre teoretiske fremskridt vil det gøre det lettere for materialeforskere at forudsige andre gode termoelektriske materialer."