Превращение тепла в электричество
🔬 Каждый может наблюдать, как электричество легко превращается в тепло — например, в электрической плите. Но возможно ли обратное? Можно ли превратить тепло в электричество — напрямую, без паровых турбин и других промежуточных этапов?
Физик Томас Зеебек ответил на этот вопрос утвердительно более 200 лет назад. Он показал, что некоторые материалы, известные как термоэлектрические, генерируют электричество при нагревании с одной стороны и охлаждении с другой. Разница температур создаёт электрическую энергию без необходимости в механических генераторах. Это явление теперь известно как эффект Зеебека.
Такие термоэлектрические генераторы очень практичны, когда требуется небольшое количество электроэнергии. Они используются, например, в космических миссиях. Однако известные на сегодняшний день термоэлектрические материалы недостаточно эффективны, чтобы заменить традиционные электростанции в больших масштабах.
Новые горизонты в термоэлектрике
🔬 Рабочая группа под руководством профессора Андрея Пустогова в Институте физики твёрдого тела TU Wien исследует новые материалы с улучшенными термоэлектрическими свойствами. Теперь, используя новый подход, им удалось значительно улучшить характеристики термоэлектриков.
Статья опубликована в журнале Physical Review X.
«Несмотря на сто лет интенсивных исследований полупроводниковых материалов, значительных успехов с момента открытия соединений теллурида висмута в 1950-х годах, которые могли бы привести к широкому распространению этой технологии в повседневной жизни, не было», — говорит Пустогов. «Мы сделали важный шаг вперёд — с металлическими материалами, которые до сих пор не были в центре внимания в этой области».
Принцип работы термоэлектриков
Эффект Зеебека основан на том, что подвижность носителей положительных и отрицательных зарядов зависит от материала, с одной стороны, и от температуры — с другой.
«Представьте себе полупроводник, в котором могут двигаться только отрицательные электрические заряды», — говорит Пустогов. «Сначала они равномерно распределены по всему материалу, который электрически нейтрален. Однако, если одну сторону нагреть, а другую охладить, отрицательные носители заряда будут двигаться быстрее и дальше на горячей стороне, так что там будет меньше отрицательного заряда, чем на холодной стороне». Это создаёт разность напряжений, из которой можно получить электрическую энергию.
В большинстве металлических материалов могут двигаться как положительные, так и отрицательные носители заряда. Это означает, что оба типа подвижных носителей заряда имеют тенденцию скапливаться на холодной стороне, а не на горячей. «Плюс и минус уравновешивают друг друга, поэтому таким образом напряжение не генерируется», — говорит Пустогов.
«Поэтому металлические материалы практически не рассматривались в связи с термоэлектрическим эффектом. Считалось, что они не подходят для этой цели. Однако теперь мы смогли показать, что металлы действительно могут быть отличными термоэлектриками», — добавляет он.
Ключевой трюк
Ключевой трюк заключается в том, чтобы обеспечить движение положительных и отрицательных носителей заряда с разной скоростью. «Вы можете представить движение зарядов так, как будто они находятся на шоссе», — объясняет Пустогов. «Положительные заряды движутся по левой полосе, а отрицательные — по правой. Создавая пробку на левой полосе, положительные заряды застревают, в то время как отрицательные заряды беспрепятственно движутся по правой полосе». Таким образом можно получить отличные термоэлектрические свойства, даже если в материале есть как положительные, так и отрицательные носители заряда.
«Пробка» для электронов
«Пробка» создаётся путём включения в материал дополнительных неподвижных носителей заряда. Команда смогла продемонстрировать, что это работает с некоторыми никель-золотыми сплавами ещё в 2023 году. «Теперь мы нашли значительно более дешёвую альтернативу без золота в соединении никеля и индия», — говорит Фабиан Гармруди, первый автор исследования.
В поисках новых — и, прежде всего, более дешёвых — альтернатив исследователи наткнулись на так называемые металлы кагоме. Термин «кагоме» изначально происходит из японского языка и относится к плетёным бамбуковым корзинам со специальным узором из шестиугольников и треугольников, которые соприкасаются по краям.
«Удивительно, но в природе существуют материалы, в которых атомы располагаются именно таким образом. Мы называем это «геометрической фрустрацией». Например, оказывается, что заряды могут стать чрезвычайно неподвижными и оказываются в ловушке внутри звезды кагоме», — объясняет Гармруди.
Исследователи смогли показать, что геометрия кагоме может привести к чрезвычайно большому эффекту Зеебека — значительно большему, чем у ранее используемых никель-золотых сплавов. В то время как отрицательные заряды в металле кагоме движутся беспрепятственно, накопление положительных зарядов при комнатной температуре обеспечивает очень высокую эффективность: новые термоэлектрики могут даже превзойти коммерчески доступные термоэлектрики на основе теллурида висмута.
«С этими металлами кагоме мы нашли золото, и теперь мы систематически улучшаем их термоэлектрические свойства, используя наш опыт в настройке геометрической фрустрации», — говорит Пустогов, чья команда в TU Wien уже много лет изучает фрустрированные материалы.
Предоставлено Венским технологическим университетом.