Nye materialer til fremtidens grønne teknologienheder

Fra din varme bil til din varme bærbare computer, hver maskine og enhed i dit liv spilder en masse energi på grund af varmetab. Men termoelektriske enheder, som omdanner varme til elektricitet og omvendt, kan udnytte den spildte varme, og muligvis levere den grønne teknologiske energieffektivitet, der er nødvendig for en bæredygtig fremtid.

Nu, en ny undersøgelse viser, hvordan porøse stoffer kan fungere som termoelektriske materialer - og peger på vejen for konstruktion af brugen af ​​sådanne materialer i fremtidens termoelektriske enheder.

Omkring 70 procent af al den energi, der genereres i verden, går til spilde som varme, sagde Dimitris Niarchos fra National Center for Scientific Research Demokritos i Athen, Grækenland. Han og Roland Tarkhanyan, også af NCSR Demokritos, har offentliggjort deres analyse i tidsskriftet APL materialer , fra AIP Publishing.

For at skabe den nødvendige teknologi til at fange denne varme, forskere over hele verden har forsøgt at konstruere mere effektive termoelektriske materialer. Et lovende materiale er et, der er fyldt med bittesmå huller, der varierer i størrelse fra omkring en mikron (10-6 meter) til omkring en nanometer (10 ^-9 meter). "Porøs termoelektrik kan spille en væsentlig rolle i at forbedre termoelektrik som et levedygtigt alternativ til at høste spildt varme, " sagde Niarchos.

Varme bevæger sig gennem et materiale via fononer, kvantiserede vibrationsenheder, der fungerer som varmebærende partikler. Når en fonon løber ind i et hul, det spredes og mister energi. Fononer kan således ikke transportere varme over et porøst materiale så effektivt, giver materialet en lav varmeledningsevne, hvilket viser sig at øge effektiviteten af ​​varme-til-el konvertering. Jo mere porøst materialet er, jo lavere varmeledningsevne, og jo bedre er det som termoelektrisk materiale.

Indtil nu, imidlertid, forskere har endnu ikke systematisk modelleret, hvordan porøse materialer opretholder lav varmeledningsevne, sagde Niarchos. Så han og Tarkhanyan studerede de termiske egenskaber af fire simple modelstrukturer af mikro-nano porøse materialer. Denne analyse, Niarchos siger, giver en groft plan for, hvordan man designer sådanne materialer til termoelektriske enheder.

Samlet set, forskerne fandt ud af, at jo mindre porerne er, og jo tættere de er pakket sammen, jo lavere varmeledningsevne. Deres beregninger matcher data fra andre eksperimenter godt, sagde Niarchos. De viser også, at i princippet, mikro-nano porøse materialer kan være flere gange bedre til at omdanne varme til elektricitet, end hvis materialet ikke havde nogen porer.

Den første model beskriver et materiale fyldt med huller af tilfældige størrelser, spænder fra mikron til nanometer i diameter. Det andet er et med flere lag, hvor hvert lag indeholder porer i forskellige størrelsesskalaer, hvilket giver den en anden porøsitet. Den tredje er et materiale, der er sammensat af et tredimensionelt kubisk gitter af identiske huller. Det fjerde er et andet flerlagssystem. Men i dette tilfælde, hvert lag indeholder et kubisk gitter af identiske huller. Størrelsen på hullerne er forskellig i hvert lag.

Ifølge analysen, den første og fjerde model har lavere varmeledningsevne end den anden. Den tredje model ser ud til at være den bedste, da den også har en lavere varmeledningsevne end den fjerde model.

Bortset fra den første model, imidlertid, alle modellerne er ikke praktiske, fordi de repræsenterer idealiserede situationer med et perfekt arrangement af porer, sagde Niarchos. Det er også praktisk talt umuligt at skabe præcis lige store porer. Den første model er således den mest realistiske.

Stadig, han sagde, alle de forskellige modeller viser vigtigheden af ​​porøsitet i termoelektriske materialer. Bygget på enkle og generelle analytiske formler, modellerne giver mulighed for en meget hurtig og nøjagtig beregning af den effektive gitter termiske ledningsevne af et porøst materiale og den systematiske analyse af sådanne materialer.