Buzz om termoelektrisk varme op med lovende nye magnesiumbaserede materialer

Landingen af ​​NASAs Perseverance rover var endnu et spring fremad, ikke kun for at udforske rummet, men også for den teknologi, der driver fartøjet på sin årelange mission på Mars-en termoelektrisk generator, der omdanner varme til elektricitet.

På udkig efter det næste spring i termoelektriske teknologier, forskere ved Duke University og Michigan State University fik ny grundlæggende indsigt i to magnesiumbaserede materialer (Mg ₃ Sb ₂ og Mg ₃ Bi ₂ ), der har potentiale til betydeligt at udkonkurrere traditionelle termoelektriske designs og også ville være mere miljøvenlige og billigere at fremstille. I modsætning til den fremherskende videnskabelige visdom vedrørende brugen af ​​tunge elementer, forskerne viste, at udskiftning af atomer af tungere grundstoffer som calcium og ytterbium med lettere magnesiumatomer faktisk førte til en tredobling i de magnesiumbaserede materialers ydeevne.

I deres forskning, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt , holdet brugte neutron- og røntgenspredningseksperimenter ved Department of Energy's (DOE) Oak Ridge (ORNL) og Argonne nationale laboratorier, samt supercomputersimuleringer på National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Undersøgelser i atomskala afslørede oprindelsen og mekanismen bag materialernes evne til at omdanne termisk energi ved stuetemperatur til elektricitet. Resultaterne indikerer mulige nye veje til forbedring af termoelektriske applikationer som dem i Perseverance-roveren og utallige andre enheder og energiproduktionsteknologier.

Termoelektriske materialer skaber i det væsentlige en spænding fra en temperaturforskel mellem de varme og kolde sider af materialet. Ved at omdanne termisk energi til elektricitet, eller omvendt, termoelektriske enheder kan bruges til køling eller elektrisk kraftproduktion fra varmeudstødning.

"Traditionelle termoelektriske materialer er afhængige af tunge elementer som bly, vismut, og tellur - elementer, der ikke er særlig miljøvenlige, og de er heller ikke særlig rigelige, så de har en tendens til at være dyre, "sagde Olivier Delaire, lektor ved Duke. "Magnesium på den anden side er lettere og mere rigeligt, hvilket gør det til et ideelt materiale til transport og rumflyvning, for eksempel."

Typisk, Delaire forklarede, lettere materialer er ikke velegnede til termoelektriske designs, fordi deres varmeledningsevne er for høje, hvilket betyder, at de overfører for meget varme til at opretholde den temperaturforskel, der er nødvendig for at producere spændingen. Tungere materialer er generelt mere ønskelige, fordi de leder mindre varme, giver dem mulighed for at bevare og omdanne termisk energi mere effektivt.

"Disse magnesiummaterialer, imidlertid, har bemærkelsesværdigt lav termoelektrisk ledningsevne på trods af en lav massetæthed. Disse egenskaber kan potentielt åbne døren for at designe nye typer termoelektriske materialer, der ikke er afhængige af tunge materialer med giftige elementer, "Forklarede Delaire.

Magnesiummaterialerne, teamet undersøgte, tilhører en større klasse af metalforbindelser kaldet Zintls. Atomstrukturen, eller arrangement af atomer, i Zintl -forbindelser er sådan, at det er relativt let at eksperimentere med og erstatte forskellige elementer i materialet - f.eks. udskiftning af et tungt element med et let element for at opnå optimal ydeevne og funktionalitet.

"I kemiske undersøgelser, at undersøge mulighederne for nye materialer indebærer ofte, at det ene element udskiftes med et andet for bare at se, hvad der sker. Normalt erstatter vi dem med kemisk lignende elementer i det periodiske system, og en af ​​de store fordele ved at bruge Zintls er, at vi kan eksperimentere med mange forskellige elementer og forskellige kombinationer, "sagde avisens første forfatter Jingxuan Ding, en kandidatstuderende forsker i Delaires gruppe ved Duke. "Ingen forventede, at magnesium ville være den bedre forbindelse, men da vores samarbejdspartnere i Michigan State erstattede det med materialernes ingredienser, vi var overraskede over at opdage, at det faktisk var tilfældet, så det næste trin var at finde ud af hvorfor. "

Atomer i et materiale er ikke statiske, eller ubevægelig; de vibrerer med amplituder, der stiger med højere temperaturer. De kollektive vibrationer skaber en krusningseffekt, kaldet en fonon, der ligner sæt af bølger på overfladen af ​​en dam. Disse bølger er det, der transporterer varme gennem et materiale, hvorfor måling af fononvibrationer er vigtig for at bestemme et materiales varmeledningsevne.

Neutroner er unikt egnede til at studere kvantefænomener såsom fononer, fordi neutroner ikke har nogen ladning og kan interagere med kerner. Delaire sammenlignede neutroninteraktioner med at plukke en guitarstreng ved, at de kan overføre energi til atomerne for at ophidse vibrationerne og fremkalde skjult information om atomerne inde i et materiale.

Teamet brugte Wide Angular-Range Chopper Spectrometer, eller ARCS, ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) for at måle fononvibrationerne. De data, de indhentede, gjorde dem i stand til at spore materialernes gunstige lave varmeledningsevne til en særlig magnesiumbinding, der forstyrrer telefonbølgernes bevægelse gennem materialet ved at få dem til at forstyrre hinanden.

"Neutroner er en af ​​de bedste måder at måle atomvibrationer som dem, vi studerer i disse materialer, "sagde Ding." ARCS kan registrere en lang række frekvenser og bølgelængder, der hjælper os med at måle de fononbølger, der findes i materialet, det er præcis det, vi har brug for for bedre at forstå, hvordan disse materialer med lav varmeledningsevne fungerer. "

Neutronspredningsmålingerne gav forskergruppen en bred undersøgelse af den interne dynamik i magnesium Zintl-materialer, der hjalp med at guide og forfine computersimuleringer og efterfølgende røntgenforsøg ledet af Ding. Disse blev brugt til at opbygge en komplet forståelse af oprindelsen til materialernes varmeledningsevne.

Komplementære røntgeneksperimenter ved Argonnes Advanced Photon Source (APS) blev brugt til at zoome ind på specifikke fonontilstande i krystalprøver for små til neutronmålinger. Både neutron- og røntgenmålingerne stemte overens med supercomputersimuleringerne udført på NERSC.

Udover Ding og Delaire, avisens medforfattere omfatter Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said, og Alexandra Zevalkink.

"Termoelektrik er afgørende i applikationer som Mars Perseverance -roveren, der kræver enklere, mere lette og pålidelige designs i stedet for de omfangsrige motorer med bevægelige dele, der traditionelt bruges til at generere elektricitet fra varme, "sagde Delaire." Disse magnesiumbaserede materialer er et stort fremskridt på området, der kan tilbyde betydeligt mere energieffektivitet og et stort potentiale for mere avancerede termoelektriske applikationer. "