Shkencëtarët zbulojnë material që thyen rekord

Materialet termoelektrike, të cilat mund ta shndërrojnë nxehtësinë drejtpërdrejt në energji elektrike dhe anasjelltas, po tërheqin vëmendjen për potencialin e tyre teknologjik. Studiuesit në TU Wien eksploruan lidhje të ndryshme metalike për të gjetur materialin termoelektrik më efikas.

Një përzierje e nikelit dhe arit doli veçanërisht premtuese. Studiuesit publikuan së fundi rezultatet e tyre në revistën e njohur Science Advances .

Përdorimi i termoelektrikëve për të prodhuar energji elektrike nuk është asgjë e re. Që nga mesi i shekullit të 20-të, ato janë përdorur për të gjeneruar energji elektrike në eksplorimin e hapësirës, ​​por termoelektrikët përdoren gjithashtu në aplikime të përditshme si frigoriferët portativë. Për më tepër, ato mund të përdoren gjithashtu në mjedise industriale për të kthyer nxehtësinë e mbeturinave në energji elektrike të gjelbër, për të përmendur vetëm një nga aplikimet e mundshme.

Efekti termoelektrik bazohet në lëvizjen e grimcave të ngarkuara që migrojnë nga ana më e nxehtë në atë më të ftohtë të një materiali. Kjo rezulton në një tension elektrik – i ashtuquajturi tension termoelektrik – i cili kundërshton lëvizjen e ngacmuar termikisht të transportuesve të ngarkesës.

Raporti i tensionit të ndërtuar termoelektrik dhe diferencës së temperaturës përcakton koeficientin Seebeck, i quajtur sipas fizikanit gjerman Thomas Johann Seebeck, i cili është një parametër i rëndësishëm për performancën termoelektrike të një materiali. Kërkesa e rëndësishme këtu është që të ketë një çekuilibër midis ngarkesave pozitive dhe negative, pasi ato kompensojnë njëra-tjetrën.

“Edhe pse Seebeck zbuloi efektin termoelektrik në metalet e zakonshme më shumë se 200 vjet më parë, sot metalet nuk konsiderohen pothuajse si materiale termoelektrike sepse zakonisht kanë një koeficient shumë të ulët Seebeck,” shpjegon Fabian Garmroudi, autori i parë i studimit. Nga njëra anë, metalet si bakri, argjendi ose ari kanë përçueshmëri elektrike jashtëzakonisht të lartë; nga ana tjetër, koeficienti i tyre Seebeck është jashtëzakonisht i vogël në shumicën e rasteve.

Fizikantët nga Instituti i Fizikës së Gjendjes së Ngurtë (TU Wien) tani kanë arritur të gjejnë lidhje metalike me përçueshmëri të lartë dhe një koeficient jashtëzakonisht të madh Seebeck. Përzierja e nikelit metalik magnetik me arin e metalit fisnik ndryshon rrënjësisht vetitë elektronike.

Sapo ngjyra e verdhë e arit zhduket kur shtohet rreth 10% nikel, performanca termoelektrike rritet me shpejtësi. Origjina fizike për efektin e përmirësuar Seebeck është i rrënjosur në sjelljen e shpërndarjes të varur nga energjia të elektroneve – një efekt thelbësisht i ndryshëm nga termoelektrikët gjysmëpërçues.

Për shkak të vetive të veçanta elektronike të atomeve të nikelit, ngarkesat pozitive shpërndahen më fort se ngarkesat negative, duke rezultuar në çekuilibrin e dëshiruar dhe rrjedhimisht një tension të lartë termoelektrik.

“Imagjinoni një garë mes dy vrapuesve, ku njëri vrapon në një pistë të lirë, por tjetri duhet të kalojë shumë pengesa. Sigurisht, personi në rrugën e lirë përparon më shpejt se kundërshtari, i cili duhet të ngadalësojë dhe të ndryshojë drejtimin shumë më shpesh,” krahason Andrej Pustogow, autor i lartë i studimit, rrjedhën e elektroneve në termoelektrikët metalikë. Në lidhjet e studiuara këtu, ngarkesat pozitive shpërndahen fuqishëm nga elektronet e nikelit, ndërsa ngarkesat negative mund të lëvizin praktikisht të patrazuara.

Kombinimi i përçueshmërisë elektrike jashtëzakonisht të lartë dhe njëkohësisht i një koeficienti të lartë Seebeck çon në regjistrimin e vlerave të faktorit të fuqisë termoelektrike në lidhjet nikel-ar, të cilat i tejkalojnë ato të gjysmëpërçuesve konvencionale .

“Me të njëjtën gjeometri dhe gradient të temperaturës fikse, mund të gjenerohet shumë herë më shumë energji elektrike sesa në çdo material tjetër të njohur,” shpjegon Fabian Garmroudi. Përveç kësaj, densiteti i lartë i fuqisë mund të mundësojë aplikime të përditshme në sektorin e shkallës së gjerë në të ardhmen. “Tashmë me performancën aktuale, orët inteligjente, për shembull, tashmë mund të karikoheshin në mënyrë autonome duke përdorur nxehtësinë e trupit të përdoruesit,” jep si shembull Andrej Pustogow.

“Edhe pse ari është një element i shtrenjtë, puna jonë përfaqëson një provë koncepti. Ne ishim në gjendje të tregonim se jo vetëm gjysmëpërçuesit, por edhe metalet mund të shfaqin veti të mira termoelektrike që i bëjnë ato të rëndësishme për aplikime të ndryshme. “Lidhjet metalike kanë përparësi të ndryshme ndaj gjysmëpërçuesve, veçanërisht në procesin e prodhimit të një gjeneratori termoelektrik”, shpjegon Michael Parzer, një nga autorët kryesorë të studimit.

Fakti që studiuesit ishin në gjendje të tregonin eksperimentalisht se lidhjet nikel-ar janë termoelektrikë jashtëzakonisht të mirë nuk është rastësi. “Edhe përpara se të fillonim punën tonë eksperimentale, ne llogaritëm me modele teorike se cilat lidhje ishin më të përshtatshmet,” zbulon Michael Parzer. Aktualisht, grupi po heton edhe kandidatë të tjerë premtues që nuk kërkojnë elementin e shtrenjtë ar.