Новое исследование показывает, как пористые вещества могут действовать как термоэлектрические материалы, и указывает путь для инженерного использования таких материалов в термоэлектрических устройствах будущего.По словам Димитриса Ниархоса из Национального центра научных исследований Demokritos в Афинах, Греция, около 70 процентов всей энергии, производимой в мире, расходуется в виде тепла.
Он и Роланд Тарханян, также из NCSR Demokritos, опубликовали свой анализ в журнале APL Materials от AIP Publishing.Чтобы создать технологию, необходимую для улавливания этого тепла, исследователи во всем мире пытались разработать более эффективные термоэлектрические материалы.
Один многообещающий материал — это материал, заполненный крошечными отверстиями размером от микрона (10-6 метров) до нанометра (10-9 метров). «Пористые термоэлектрики могут сыграть значительную роль в улучшении термоэлектриков как жизнеспособная альтернатива для сбора ненужного тепла», — сказал Ниархос.Тепло распространяется через материал через фононы, квантованные единицы вибрации, которые действуют как частицы, переносящие тепло. Когда фонон сталкивается с дырой, он рассеивается и теряет энергию. Таким образом, фононы не могут переносить тепло через пористый материал с такой же эффективностью, что придает материалу низкую теплопроводность, что, в свою очередь, увеличивает эффективность преобразования тепла в электричество.
Чем пористее материал, тем ниже теплопроводность и тем лучше он как термоэлектрический материал.Однако до сих пор исследователям еще предстоит систематически моделировать, как пористые материалы поддерживают низкую теплопроводность, сказал Ниархос. Поэтому он и Тарханян изучили тепловые свойства четырех простых модельных структур микронанопористых материалов.
По словам Ниархоса, этот анализ дает примерный план создания таких материалов для термоэлектрических устройств.В целом исследователи обнаружили, что чем меньше поры и чем они плотнее упакованы, тем ниже теплопроводность. По словам Ниархоса, их расчеты хорошо согласуются с данными других экспериментов.
Они также показывают, что в принципе микронано-пористые материалы могут в несколько раз лучше преобразовывать тепло в электричество, чем если бы материал не имел пор.Первая модель описывает материал, заполненный отверстиями случайного размера, от микрон до нанометров в диаметре. Второй — с несколькими слоями, каждый из которых содержит поры разного размера, что придает ему разную пористость. Третий — материал, состоящий из трехмерной кубической решетки одинаковых отверстий.
Четвертый — еще одна многослойная система. Но в этом случае каждый слой содержит кубическую решетку одинаковых дырок.
Размер отверстий в каждом слое разный.Согласно анализу, первая и четвертая модели имеют более низкие коэффициенты теплопроводности, чем вторая. Третья модель кажется лучшей, так как также имеет более низкую теплопроводность, чем четвертая модель.Однако, за исключением первой модели, все модели не практичны, потому что они представляют идеализированные ситуации с идеальным расположением пор, сказал Ниархос.
Также практически невозможно создать поры точно одинакового размера. Таким образом, первая модель наиболее реалистична.
Тем не менее, по его словам, все отдельные модели демонстрируют важность пористости в термоэлектрических материалах. Построенные на основе простых и общих аналитических формул, модели позволяют очень быстро и точно вычислить эффективную решеточную теплопроводность пористого материала и систематический анализ таких материалов.