Utforska ett område som andra forskare förbiser fysiker vid Florida State University med huvudkontor i National High Magnetic Field Laboratory har upptäckt att en materialklass som kallas "1-2-20" har mycket lovande termoelektriska egenskaper, öppnar slussarna för vidare forskning om dessa fascinerande material.

Studien publicerades i Vetenskapliga framsteg .

Termoelektriska enheter kan producera elektricitet om det finns en temperaturskillnad mellan de två ändarna. De kan också göra tvärtom:använd el för att absorbera eller släppa ut värme. Denna fastighet har många potentiella applikationer, från kompressorfri kylning till kraftproduktion i rymden till att återvinna all energi som slösas bort från bilmotorer (cirka 40 procent) som slipper ut genom värme.

"Det är inte gratis energi, "sa MagLab -fysikern Ryan Baumbach, motsvarande författare på tidningen, "men det är det näst bästa."

De flesta material har mycket liten termoelektrisk effekt. Det beror på att överföring av el över ett material och överföring av värme vanligtvis går hand i hand. I allmänhet, naturen vill hålla värme och elektrisk konduktivitet kopplad, men för att ha god termoelektrisk prestanda, dessa två egenskaper måste frikopplas.

För ungefär två år sedan, Baumbach föreslog att Kaya Wei, MagLabs Jack Crow postdoktor och medlem i Baumbachs forskargrupp, studera ett "1-2-20" material som verkade som en bra kandidat för termoelektricitet.

Det specifika material som Baumbach föreslog innehöll tre grundingredienser i ett "1-2-20" -förhållande:grundämnet ytterbium; en övergångsmetall (antingen kobolt, rodium eller iridium); och elementet zink. Baumbach hade en aning om att denna förening hade vad som krävs, om hanteras korrekt i sitt labb, att tumma näsan mot naturen och koppla bort värmeledningsförmågan från värmeledningsförmågan.

Använda högtemperaturugnar i Baumbachs lab, Wei syntetiserade föreningen i kristallform och utsatte proverna för en måttskala. Resultaten bekräftade att vid låga temperaturer, materialet var i själva verket ett lovande termoelektriskt material.

Sedan var det dags att börja leka med variablerna för att se vad de mer kunde upptäcka.

"Olika kompositioner främjar ganska olika fysiska egenskaper, "sa Wei, tidningens huvudförfattare.

Bygga en bättre termoelektrisk

Forskarna ville göra ett material så termoelektriskt optimerat som de kunde, en egenskap som representeras av en parameter som kallas den termoelektriska meritfiguren (eller ZT). Att göra det, de behövde justera sin kristall för att:1. Maximera dess elektriska konduktivitet; 2. Minimera dess värmeledningsförmåga; och 3. Utveckla en stor spänning när en liten temperaturgradient appliceras (dvs. när den ena änden är något varmare än den andra), en egenskap mätt med ett värde som kallas Seebeck -koefficienten.

Det första målet var det enklaste:Materialet var redan en bra ledare till stor del tack vare zink och övergångsmetall.

De andra målen var mer komplicerade. För att uppnå det andra, forskarna behövde sabotera de fononer som till stor del är ansvariga för värmeöverföring. Fononer är vibrationer som sprider sig genom ett materials tredimensionella atomgitter:På detta sätt, energi som absorberas av en atom kan krusa, atom till atom, över hela materialet.

Lyckligtvis, inneboende i själva strukturen av 1-2-20 material var ett sätt att kasta massiva fononblockeringar.

Kristallen Wei tillverkade hade en burliknande struktur som omfattade 20 zinkatomer som innehöll en ytterbiumatom. Ytterbiumatomen skramlar runt i buren, störa fonons förmåga att sprida värme genom materialet.

Kristallens stora enhetscell förstärker denna effekt. Fononerna är utspridda på alla sätt.

Ytterbiet ger en annan viktig ingrediens till föreningens termoelektriska framgång. Den innehåller ett slags elektron som kallas en "f elektron". Utan att bli för kvantmekanisk, f elektroner tenderar att hålla sig tillräckligt nära kärnan för att behålla en magnetisk karaktär. I ytterbium och några andra specialfall, dock, f elektroner vaklar mellan att hålla fast vid kärnan och våga sig ut mot närliggande atomer.

"Ytterbium f -elektronerna är speciella eftersom de har en dualitet mellan att vara lokaliserade och delokaliserade, "Förklarade Baumbach." Detta hjälper till att redogöra för materialets stora Seebeck -koefficient. "

Nästa steg

Nu när de har upptäckt och bättre förstått detta recept för termoelektricitet, Baumbach och Wei utforskar vidare.

ZT -värdena för föreningarna som de testade når högst vid mycket låga temperaturer -runt -400 grader Fahrenheit eller -240 grader Celsius. Detta skulle vara användbart i rymden eller endast för andra applikationer med låg temperatur. Men genom att experimentera med de specifika ingredienserna i deras 1-2-20-årsålder, forskarna säger att de kan uppnå olika resultat.

"Det finns så många kemiska varianter för 1-2-20 familjen av föreningar, "Sa Wei." Det är inte bara att du skulle ändra 100 procent av ett eller annat element, men du kan göra kemisk substitution. Och vårt hopp är, i att göra det, vi kommer att kunna röra oss runt temperaturen där ZT -värdet toppar och hitta material för olika applikationer. "

Även om de är nöjda med deras framgångar, Baumbach och Wei verkar ännu mer upphetsade över att ha öppnat en helt ny burk maskar med sin vetenskap som kommer att locka flockar av andra forskare.

"Dessa killar är bara några exempel på en riktigt stor familj av material, "Baumbach sa." Vi tror att detta arbete kommer att väcka ett stort intresse från grupper utanför vårt eget. "