Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали устройство, которое может с минимальными потерями преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Когда новая технология будет усовершенствована, она позволит сэкономить часть энергии, которая сегодня тратится впустую.
Принцип действия нового изобретения основан на любопытном явлении, которое впервые обнаружил немецкий физик Томас Зеебек. В начале 1820-х годов он изучал два проводника, изготовленные из разных металлов и соединенные между собой с обоих концов. Зеебек заметил, что, когда места соединения проводов имели разную температуру, стрелка компаса, расположенная рядом, отклонялась. То есть в проводниках возникал электрический ток.
Вскоре другие учёные поняли, из-за чего произошло отклонение. Дело в том, что разница температур приводит к разному значению энергий электронов, и между двумя областями появляется электрическое напряжение. Это приводит к возникновению электрического тока, который течёт из более горячей области в более холодную.
Теоретически эффект Зеебека мог бы стать идеальным способом утилизации лишней тепловой энергии, но возникло серьёзное препятствие. Материал такого термоэлектрического преобразователя должен обладать противоречивыми свойствами: плохо проводить тепло, чтобы поддерживать разницу температур между двумя областями, но при этом хорошо проводить электричество. Однако для большинства веществ теплопроводность и электропроводность идут рука об руку.
Изучая физику термоэлектрического преобразования, учёные обнаружили, что таким почти взаимоисключающим требованиям могла бы удовлетворить тонкая мембрана. Но она должна быть покрыта наностержнями — вертикальными столбиками длиной не более нескольких миллионных долей метра, то есть примерно в одну десятую толщины человеческого волоса.
В качестве подложки исследователи выбрали кремниевую пластину, а микроскопические столбики изготовили из нитрида галлия. Взаимодействие между столбиками и кремниевым листом замедляет передачу тепла в кремнии, позволяя большему количеству энергии преобразовываться в электричество.
Такие кремниевые листы с наностержнями можно будет оборачивать вокруг паровых или выхлопных труб и преобразовывать паразитное тепло в электричество. А оно уже способно подаваться в электросеть или питать электронику транспортного средства. Также эту технологию можно было бы использовать для охлаждения компьютерных чипов.
Исследования показали, что благодаря наностержням теплопроводность кремниевого листа снизилась на 21% без уменьшения его электрической проводимости. Каким же образом подобные наноструктуры меняют свойства привычных материалов?
В кремнии и других твёрдых телах атомы не могут свободно перемещаться, передавая тепло друг другу. Теплопередача осуществляется за счёт так называемых фононов (их не нужно путать с фотонами) — движущихся коллективных колебаний атомов. И наностержни из нитрида галлия, и кремниевый лист несут фононы. Но те фононы, что находятся внутри наностержней, — это вертикальные волны, удерживаемые стенками крошечных колонн, примерно как вибрирующая гитарная струна удерживается неподвижно с обоих концов.
Взаимодействие между фононами, движущимися в кремниевом слое, и фононами в наностержнях затрудняет прохождение тепла через материал. Это мешает ему прогреваться по всей длине и, соответственно, увеличивает разницу температур между концами. При этом на электрическую проводимость кремниевого листа фононы не влияют.
Сейчас команда учёных работает над конструкциями, которые полностью изготовлены из кремния и имеют улучшенную геометрию. Исследователи надеются повысить коэффициент преобразования тепла в электричество, чтобы такая технология стала экономически жизнеспособной.
Подробнее о данном исследовании читайте здесь.