Eksotiske legeringer til potentielle energianvendelser

Jagten på termoelektrik, eksotiske materialer, der omdanner varme direkte til elektricitet, har fået et boost fra forskere ved California Institute of Technology og University of Tokyo, som har fundet den bedste måde at identificere dem på.

I den nye open access-journal APL materialer , holdet viser, at en relativt simpel teknik kaldet "rigid band approksimation" kan forudsige et materiales egenskaber mere præcist end et konkurrerende, mere kompliceret metode.

"Den stive båndtilgang leverer stadig det enkle, prædiktive ingeniørkoncepter, vi har brug for for at opdage frugtbare termoelektriske materialesammensætninger, " siger G. Jeffrey Snyder, en Caltech fakultet associeret i materialevidenskab, der ledede forskningen.

Termoelektrik er blevet brugt siden 1950'erne til at drive rumfartøjer ved at omdanne varmen fra radioaktivt henfald til elektricitet. Deres usædvanlige egenskaber stammer fra komplekse vekselvirkninger mellem de mange elektroner, der er forbundet med atomerne i legeringer af tungmetaller såsom bly, vismut, tellur og antimon.

Uden bevægelige dele, termoelektriske generatorer er støjsvage og ekstremt pålidelige, kræver minimal vedligeholdelse. Imidlertid, generatorerne er relativt ineffektive (typisk mindre end 10 procent), og de nødvendige materialer til at bygge dem er dyre - faktorer, der har forhindret deres udbredte brug og begrænset termoelektrisk til nicheapplikationer såsom rumfartøjer eller vinkøleskabe.

I de seneste år, imidlertid, behovet for øget energieffektivitet og ikke-kulstofbaseret elproduktion har vakt fornyet interesse for termoelektrik. Med forbedringer, forskere mener, at materialerne kunne generere billig elektricitet fra ellers spildt varme produceret af motorer og fabriksovne.

"Hvis vi kunne fordoble deres effektivitet, så kunne termoelektriske moduler indbygget i en bilmotors udstødningssystem generere nok strøm til at erstatte generatoren, hvilket ville øge bilens benzinforbrug, sagde Snyder.

Udfordringen for forskere er at vælge legeringssammensætninger, krystalstørrelser og tilsætningsstoffer, (også kaldet dopingmidler), hvilket ville give høj termoelektrisk effektivitet. Med et udtømmende antal mulige kombinationer at vælge imellem, videnskabsmænd bruger teoretiske beregninger til at guide deres søgen efter lovende materialer. Materialernes ekstreme kompleksitet, imidlertid, kræver, at teoretikere gør forskellige antagelser, der hver især har ført til forskellige tilgange.

Den mest almindelige tilgang er "rigid band" tilnærmelse, som giver en relativt simpel model af et materiales elektroniske struktur, og den mere komplekse "supercelle" tilgang, som giver et detaljeret billede af dets ideelle atomarrangement. Nogle videnskabsmænd har sagt, at den stive båndtilgang er for enkel og unøjagtig til at være nyttig.

Snyders hold rapporterede præcis det modsatte resultat. Deres beregninger viste, at den stive båndtilgang faktisk var mere nøjagtig end supercellemetoden til at forudsige de observerede egenskaber af et populært termoelektrisk - blytellurid - dopet med en lille mængde natrium, kalium eller thallium.

"Supercell-tilgange er nøjagtige for meget specifikke dopingtilfælde, men de tager ikke højde for de forskellige defekter, der findes i rigtige materialer, " sagde Snyder. Ved at bruge den enklere model med stive bånd, han tilføjede, videnskabsmænd bør hurtigere kunne identificere lovende nye og mere effektive termoelektriske sammensætninger.