Твердые материалы со свойствами жидкостей являются эффективными термоэлектриками

Источник: physorg.com

Ученые находятся в постоянном поиске эффективных термоэлектрических материалов, которые преобразуют тепло в энергию и наоборот. Международная группа ученых, включающая специалистов из Шанхайского института керамики Китайской Академии Наук, Брукхейвенской Национальной лаборатории, Калифорнийского технологического института и Университета штата Мичиган (США), предложила использовать комбинированные материалы, сочетающие кристаллические и аморфные свойства. В качестве примера таких материалов исследователи представили сочетание меди и селена, в котором атомы селена составляют кристаллическую решетку, а атомы меди ведут себя аналогично жидкости. По словам представителя группы Джефф Снайдер (США), материал похож на мокрую губку с очень мелкими порами.

С одной стороны, губка выглядит и ведет себя как твердое тело. Но находящиеся внутри нее капельки воды передвигаются так же свободно, как если бы они находились в обычном потоке жидкости. Термоэлектрические материалы производят электроэнергию в том случае, если имеется большая разница температур. К примеру, один конец образца находится вблизи от нагревательного элемента, а другой — в обычной среде с комнатной температурой. Электроны диффундируют от горячего конца к холодному, таким образом, получается электрический ток. Эффективность термоэлектрика зависит от двух параметров: электропроводности и теплопроводности. И если высокая электропроводность идет на пользу, то от высокой теплопроводности больше вреда: тепло распространяется быстрее электронов, и ток затухает.

Кристаллическая структура селено-медного материала снижает показатель электрического сопротивления. А атомы меди, находящиеся в состоянии, подобном жидкости, препятствуют распространению тепла. Тепловые колебания могут передаваться по двум типам волн — продольным и поперечным. В первом случае направление смещения атомов совпадает с направлением волны. Во втором — направление волны и вектор движение частиц перпендикулярны друг другу. В материалах с кристаллической структурой преобладают поперечные волны, так как атомы жестко связаны друг с другом и колебание одного атома вызывает колебания соседних. В аморфных веществах и жидкостях связи между атомами гораздо слабее, поэтому преобладают продольные волны. Поверхность водоемов (озер, морей, океанов) является исключением, так как там имеется пограничная среда между жидкостью и воздухом.

Именно потому, что тепловые колебания в жидкостях могут перемещаться только за счет продольных волн, теплопроводность жидких и аморфных веществ значительно ниже. В случае селено-медной системы эффективность теплоэнергетика составляет 1,5 на 1000 градусов Кельвина. Это один из самых высоких показателей для известных материалов. Как отмечает г-н Снайдер, активное использование такой структуры началось еще 40 лет назад, в НАСА, в строительстве космических аппаратов. Но тогда еще не было понимания жидкостных свойств системы, и это очень осложняло работу. Новое исследование селено-медного материала может привести к разработке целого класса аналогичных структур, обладающих высокой термоэлектрической эффективностью.