По словам Махмуда Хусейна, доцента аэрокосмических инженерных наук, пионера открытия, этот метод — построение множества крошечных столбов поверх листа термоэлектрического материала — представляет собой совершенно новый способ решения вековой проблемы.
Термоэлектрический эффект, впервые обнаруженный в 1800-х годах, относится к способности генерировать электрический ток из разницы температур между одной стороной материала и другой. И наоборот, приложение электрического напряжения к термоэлектрическому материалу может вызвать нагрев одной стороны материала, в то время как другая остается холодной, или, альтернативно, одна сторона остывает, в то время как другая остается горячей.
Устройства, в состав которых входят термоэлектрические материалы, использовались обоими способами: для создания электричества из источника тепла, такого как солнце, например, или для охлаждения точных инструментов за счет потребления электроэнергии.
Однако широкому использованию термоэлектрических материалов препятствует фундаментальная проблема, которая десятилетиями занимала ученых. Материалы, через которые проходит электричество, также пропускают через них тепло. Это означает, что одновременно разница температур создает электрический потенциал, сама разница температур начинает рассеиваться, ослабляя создаваемый ею ток.
До 1990-х годов ученые решали эту проблему, ища материалы с внутренними свойствами, которые позволяли электричеству течь легче, чем теплу.
«Еще 20 лет назад люди интересовались химическим составом материалов», — сказал Хусейн. "А потом на сцену вышли нанотехнологии, которые позволили исследователям создавать материалы с желаемыми свойствами."
Используя нанотехнологии, физики-материалисты начали создавать барьеры в термоэлектрических материалах, такие как отверстия или частицы, которые препятствовали потоку тепла больше, чем потоку электричества.
Но даже при лучшем сценарии поток электронов, переносящих электрическую энергию, также замедлился.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, Хусейн и докторант Брюс Дэвис демонстрируют, что нанотехнологии можно использовать совершенно по-другому, чтобы замедлить теплопередачу, не влияя на движение электронов.
Новая концепция предполагает создание массива наноразмерных столбов поверх листа термоэлектрического материала, такого как кремний, чтобы сформировать то, что авторы называют «нанофононным метаматериалом."Тепло переносится через материал в виде серии колебаний, известных как фононы.
Атомы, составляющие миниатюрные столбы, также колеблются на разных частотах. Дэвис и Хусейн использовали компьютерную модель, чтобы показать, что колебания столбов будут взаимодействовать с колебаниями фононов, замедляя поток тепла. Ожидается, что вибрации столба не повлияют на электрический ток.
По оценкам команды, их наноразмерные столбы могут уменьшить тепловой поток через материал наполовину, но это сокращение может быть значительно сильнее, потому что расчеты были сделаны очень консервативно, сказал Хусейн.
«Если мы сможем значительно улучшить термоэлектрическое преобразование энергии, появятся все виды важных практических приложений», — сказал Хусейн. К ним относятся улавливание отработанного тепла, излучаемого различными типами оборудования — от ноутбуков до автомобилей и электростанций — и преобразование этого тепла в электричество.
Более совершенные термоэлектрики также могут значительно повысить эффективность солнечных панелей и холодильных устройств.
Следующим шагом Хусейна станет сотрудничество с коллегами из физического факультета и других учреждений для изготовления опор, чтобы идею можно было проверить в лаборатории. "Это все еще ранняя фаза лабораторной демонстрации, но оставшиеся шаги находятся в пределах досягаемости."
Хусейн также надеется усовершенствовать модели, которые он использовал, чтобы получить дополнительное представление о физике, лежащей в основе. "Команда высокомотивированных докторов наук.D. студенты круглосуточно работают со мной над этим проектом », — сказал он.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом.