Наноёлка принесёт тепло в розетку

Российский язык, ну и не только лишь российский, быстро полнится словами с приставкой нано-. Мы уже знаем о нанотрубках и нанороботах, нанопорошках и даже нанотранзисторах. Исследователи из Политехнического института имени Ренселлера в США подарили миру очередное нанослово – наноскульптуры, которые они научились лепить хим методом, скоро окажутся способны очень продвинуть современные технологии преобразования тепла в электричество.

 

В текущее время огромную часть тепла, вырабатываемого разными устройствами – бытовой электротехникой либо промышленными агрегатами, население земли предпочитает просто выкидывать на ветер, кондиционируя помещения, создавая сложные системы остывания узлов машин с радиаторными решетками, которые в конечном итоге отдают тепло окружающей атмосфере. Навряд ли кто-нибудь будет спорить, что такая растрата энергии, которую население земли все никак не может научиться ценить, в дальнейшем будет неприемлема. Но далековато не каждый человек представляет для себя, как можно использовать термическую энергию, рассеиваемую микропроцессором его собственного ноутбука.

Выход есть – применение термоэлектрического эффекта, при помощи которого даже маленькая разница температур меж нагретым телом и окружающей средой может стать источником значимого количества электронной энергии.

Этот эффект был открыт Зеебеком в 1821 году, и состоит он в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, места контактов которых поддерживают при различных температурах, появляется электродвижущая сила (термоэдс) – проще говоря, напряжение. Величина возникающей термоэдс зависит только от материала проводников и температур жаркого и прохладного контактов.

Из чего состоит термоЭДС

Появление эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

1) Разная зависимость средней энергии электронов от температуры в разных субстанциях

Если повдоль проводника существует градиент температур, то электроны на жарком конце получают более высочайшие энергии и скорости, чем на прохладном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости вырастает с температурой. В итоге появляется поток электронов от жаркого конца к прохладному, и на прохладном конце скапливается отрицательный заряд, а на жарком остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс скопления заряда длится до того времени, пока появившаяся разность потенциалов не вызовет поток электронов в оборотном направлении, равный первичному, по этому установится равновесие. ЭДС, появление которой описывается данным механизмом, именуется объёмной ЭДС.

2) Разная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана различием энергий Ферми у контактирующих разных проводников. При разработке контакта уровни Ферми становятся схожими, и появляется контактная разность потенциалов. На контакте тем существует электронное поле, локализованное в узком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из 2-ух металлов, то разность потенциалов появляется на обоих контактах. Электронное поле будет ориентировано схожим образом в обоих контактах — от большего потенциала к наименьшему. Это означает, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора напряженности электронного поля тем будет равна нулю.

Если температура 1-го из контактов поменяется, то, так как энергия Ферми находится в зависимости от температуры, разность потенциалов также поменяется. Но если поменялась внутренняя контактная разность потенциалов, то поменялось электронное поле в одном из контактов, и потому циркуляция вектора его напряженности будет отлична от нуля, другими словами возникает ЭДС в замкнутой цепи. Данная ЭДС именуется контактной термоэдс. Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

3) Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, передвигающихся от жаркого конца к прохладному, будет больше, чем в оборотном направлении. В итоге столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние, и на прохладном конце эталона будет скапливаться отрицательный заряд (на жарком — положительный) до того времени, пока появившаяся разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в 10-ки и сотки раз больше рассмотренных выше.

Почему же этот превосходный эффект, который может позволить нам сберегать быстро тающие припасы углеводородного горючего либо сделать ежедневную жизнь тише и комфортнее, до сего времени не отыскал массового внедрения?

Все дело в очень низкой эффективности термопреобразователей электричества, которая оценивается коэффициентом термоэлектрической добротности ZT. Этот коэффициент у современных термоэлектриков находится в спектре (2-5)*10-3 К-1 и не позволяет их эффективности приблизиться к эффективности обыденных фреоновых рефрижераторов и кондюков. Цель исследователей – получить термоэлектрики с коэффициентом ZT около единицы. Но это просит от материала необыкновенных, если не сказать не нормальных параметров – высочайшей электропроводности в купе с низкой теплопроводимостью; притом и про высочайший коэффициент термоэдс забывать нельзя.

Пути решения этой трудности могут иметь в виду создание принципно новых материалов с необыкновенными структурами и качествами. К многообещающим термоэлектрикам в текущее время относят супрамолекулярные клатратные соединения, достижениями в области которых в нашей стране может повытрепываться группа доктора Андрея Шевелькова c кафедры неорганической химии МГУ. Но это всё ещё экзотичный вид материалов, и в текущее время все выпускаемые термоэлетрики базируются на достижениях полупроводниковой промышленности.

Ученые из Ренселлеровского института смогли сделать лучше характеристики конкретно таких полупроводниковых термопреобразователей за счет уменьшения размера единичного термоэлемента до нанодиапазона.

Учёные направились в «нанообласть» не бездумно. Их ожидания были связаны с тем, что в наноразмерных монокристаллах на стыке 2-ух кристаллов нередко наблюдается более насыщенное рассеивание фононов – «квантов» колебаний кристаллической решётки; благодаря этому миниатюризируется теплопроводимость системы. Не считая того, в нанообъектах – таких как квантовые точки, нановолокна и нанокристаллы – нередко становятся осязаемыми эффекты квантового ограничения, связанные с тем, что геометрические размеры кристалла становятся сравнимы с квантовыми параметрами носителей заряда (электронов и дырок) в нём. Такое ограничение позволяет приметно сделать лучше проводимость материала и заодно повысить коэффициент термоэдс.

Как оказывается, в нанотехнологии америкосы сунулись не напрасно. Статья в журнальчике Advanced Materials обрисовывает синтетический способ, который позволяет за один прием синтезировать целый массив кристаллов теллурида висмута, покрытых таковой же монокристальной оболочкой сульфида висмута с другим типом проводимости. Особенностью продемонстрированного способа синтеза будет то, что кропотливый контроль критерий приводит к возникновению упорядоченной ветвистой структуры в ансамбле покрытых оболочкой монокристаллов.

Способы получения систем ядро-оболочка и ветвистых наноструктур уже были показаны по отдельности. Но Ганапатираман Раманап, управляющий последней работой, – 1-ый, кому удалось скооперировать получение покрытых оболочкой нанокристаллов с их упорядоченным ветвлением. Наверняка, потому сами создатели склонны относить приобретенные массивы наноструктур к «наноскульптурам».

Секрета из собственного открытия ученые не делают – базу их способа составляет природное поверхностно-активное вещество L-глутатоновая кислота. Синтез монокристальных систем ядро-оболочка достаточно прост. Он заключается в добавлении ортотеллуровой кислоты к концентрированному раствору хлорида висмута в азотной кислоте в консистенции с глутатоновой кислотой. Смешанные реактивы кипятятся после прибавления этилен- и полиэтиленгликоля в систему при температурах от 145 до 195 градусов Цельсия. После чего обскурантистскую пробирку резко охлаждают по прошествии определенного времени синтеза.

Наноёлка принесёт тепло в розетку

Упорядоченная ветвистая наноскульптура // Rensselaer/Ramanath

Ученые установили, что при завышенной температуре и низкой концентрации глутатоновой кислоты начинается контролируемое ветвление наноструктур благодаря так именуемому эффекту кристаллографического двойникования.

Этот эффект связан с десорбцией комплексов висмут-глутатоновая кислота с поверхности возрастающих монокристаллов. Десорбция меняет симметрию кристаллической решетки на поверхности, из-за чего предстоящий рост кристалла в этой области проходит уже в другом направлении.

Наличие же в структуре органических компонент синтеза карбоксильных, амино- и гидроксильных групп, которые в конечном итоге оказываются адсорбированными на поверхности, приводит к самоорганизации наноструктур благодаря образованию водородных связей и амидизации меж амино- и карбоксильными группами примыкающих нанокристаллов.

Чтоб полученную упорядоченную систему ветвистых кристаллов с оболочкой перевоплотить в термоэлектрический элемент, предстоит ещё много работы. Но 1-ый шаг уже изготовлен, и его простота позволяет возлагать, что цены на такое электричество не будут кусаться.