Skønhed i ufuldkommenhed:Hvordan krystaldefekter kan hjælpe med at omdanne spildvarme til elektricitet

Hvis vi skal forhindre den forestående miljøkrise, det er bydende nødvendigt, at vi finder effektive og bæredygtige måder at undgå spild på. Et område med meget plads til forbedring er genanvendelse af spildvarme fra industrielle processer og teknologiske enheder til elektricitet. Termoelektriske materialer er kernen i forskningen på dette område, fordi de giver mulighed for ren elproduktion til lave omkostninger.

For termoelektriske materialer, der skal bruges på vidt forskellige områder såsom stålværker og transport, de skal kunne fungere i både høje og lave temperaturer. I denne forbindelse halv-Heusler Ni-baserede legeringer er i øjeblikket i søgelyset takket være deres attraktive termoelektriske effektivitet, mekanisk styrke, og holdbarhed. Selvom der er blevet brugt meget på at forstå og forbedre disse ejendommelige legeringer, forskere har fundet det svært at afklare, hvorfor halv-Heusler Ni-baserede legeringer har så høj en konverteringseffektivitet. Nogle har teoretiseret, at fejl i materialets krystalstruktur øger dets varmeledningsevne og, på tur, dens konverteringseffektivitet. Imidlertid, krystalstrukturen omkring defekterne er ukendt, og det samme er deres specifikke bidrag.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter , et hold af videnskabsmænd fra Japan og Tyrkiet, ledet af lektor Hidetoshi Miyazaki fra Nagoya Institute of Technology, Japan, har nu forsøgt at gøre dette problem krystalklart! Deres forskning kombinerede teoretiske og eksperimentelle analyser i form af storskala krystalstruktursimuleringer og X-ray absorption fine structure (XAFS) spektre på NiZrSn legeringer.

Ved at bruge disse teknikker, holdet beregnede først de strukturelle virkninger, som et yderligere Ni-atom (defekt) ville have i arrangementet af NiZrSn-krystaller. Derefter, de verificerede de teoretiske forudsigelser gennem forskellige typer XAFS-målinger, som Dr. Miyazaki forklarer, "I vores teoretiske rammer, vi antog, at krystalgitterforvrængninger var en konsekvens af atomare defekter for at udføre første-princippets båndstrukturberegninger. XAFS gjorde det muligt at opnå detaljerede oplysninger om den lokale krystalstruktur omkring atomare defekter ved at sammenligne de eksperimentelle og teoretiske spektre af krystalstrukturen." Disse observationer gjorde det muligt for forskerne nøjagtigt at kvantificere den belastning, som Ni-defekter forårsager i nærliggende atomer. De analyserede også de mekanismer, hvorved disse ændringer giver anledning til en højere termisk ledningsevne (og konverteringseffektivitet).

Resultaterne af denne undersøgelse vil være afgørende for at fremme termoelektrisk teknologi, som Dr. Miyazaki bemærker:"Vi forventer, at vores resultater vil bidrage til udviklingen af ​​en strategi centreret omkring at kontrollere belastningen omkring defekte atomer, hvilket igen vil give os mulighed for at konstruere nye og bedre termoelektriske materialer." dette vil føre til et spring inden for termoelektrisk konverteringsteknologi og fremskynde overgangen til en mindre spild, et dekarboniseret samfund – et samfund, hvor overskydende varme ikke blot kasseres, men i stedet genvindes som en energikilde.

Til sidst, Dr. Miyazaki fremhæver, at de teknikker, der bruges til at observere fine ændringer i belastningen i krystallinske strukturer, let kan tilpasses til andre typer materiale, såsom dem, der er beregnet til spintroniske applikationer og katalysatorer.

Der er bestemt meget at vinde ved at gå efter de fine detaljer i materialevidenskab, og vi kan være sikre på, at denne undersøgelse markerer et skridt i den rigtige retning mod en bedre fremtid!