En ny typ av material genererar elektrisk ström mycket effektivt från temperaturskillnader. Detta gör att sensorer och små processorer kan förse sig med energi trådlöst.

Termoelektriska material kan omvandla värme till elektrisk energi. Detta beror på den så kallade Seebeck-effekten:Om det finns en temperaturskillnad mellan de två ändarna på ett sådant material, elektrisk spänning kan genereras och ström kan börja flöda. Mängden elektrisk energi som kan genereras vid en given temperaturskillnad mäts med det så kallade ZT-värdet:Ju högre ZT-värde för ett material, desto bättre dess termoelektriska egenskaper.

Den bästa termoelektroniken hittills mättes med ZT -värden på cirka 2,5 till 2,8. Forskare vid TU Wien (Wien) har nu lyckats utveckla ett helt nytt material med ett ZT -värde på 5 till 6. Det är ett tunt lager av järn, vanadin, volfram och aluminium applicerat på en kiselkristall.

Det nya materialet är så effektivt att det kan användas för att ge energi till sensorer eller till och med små datorprocessorer. Istället för att ansluta små elektriska enheter till kablar, de kunde generera sin egen el från temperaturskillnader. Det nya materialet har nu presenterats i tidningen Natur .

El och temperatur

"Ett bra termoelektriskt material måste visa en stark Seebeck -effekt, och den måste uppfylla två viktiga krav som är svåra att förena, "säger professor Ernst Bauer från Institute of Solid State Physics vid TU Wien." Å ena sidan, det bör leda elektricitet så bra som möjligt; å andra sidan, den ska transportera värme så dåligt som möjligt. Detta är en utmaning eftersom elektrisk konduktivitet och värmeledningsförmåga vanligtvis är nära besläktade. "

Vid Christian Doppler -laboratoriet för termoelektricitet, som Ernst Bauer etablerade vid TU Wien 2013, olika termoelektriska material för olika tillämpningar har studerats under de senaste åren. Denna forskning har nu lett till upptäckten av ett särskilt anmärkningsvärt material - en kombination av järn, vanadin, volfram och aluminium.

"Atomerna i detta material är vanligtvis arrangerade i ett strikt regelbundet mönster i en så kallad ansiktscentrerad kubisk gitter, "säger Ernst Bauer." Avståndet mellan två järnatomer är alltid detsamma, och samma sak gäller för andra typer av atomer. Hela kristallen är därför helt vanlig. "

Dock, när ett tunt lager av materialet appliceras på kisel, något fantastiskt händer:strukturen förändras radikalt. Även om atomerna fortfarande bildar ett kubiskt mönster, de är nu arrangerade i en rymdcentrerad struktur, och fördelningen av de olika typerna av atomer blir helt slumpmässig. "Två järnatomer kan sitta bredvid varandra, platserna bredvid dem kan vara upptagna av vanadin eller aluminium, och det finns inte längre någon regel som dikterar var nästa järnatom ska finnas i kristallen, "förklarar Bauer.

Denna blandning av regelbundenhet och oregelbundenhet i atomarrangemanget förändrar också den elektroniska strukturen, som avgör hur elektroner rör sig i det fasta materialet. "Den elektriska laddningen rör sig genom materialet på ett speciellt sätt, så att den skyddas från spridningsprocesser. De avgiftsdelar som reser genom materialet kallas Weyl Fermions, "säger Ernst Bauer. På detta sätt, uppnås ett mycket lågt elektrisk motstånd.

Gittervibrationer, å andra sidan, som transporterar värme från platser med hög temperatur till platser med låg temperatur, hämmas av oegentligheterna i kristallstrukturen. Därför, värmeledningsförmågan minskar. Detta är viktigt om elektrisk energi ska genereras permanent från en temperaturskillnad - för om temperaturskillnader skulle kunna jämvikta sig mycket snabbt och hela materialet snart skulle ha samma temperatur överallt, den termoelektriska effekten skulle stanna.

Elektricitet för sakernas internet

"Självklart, ett sådant tunt lager kan inte generera en särskilt stor mängd energi, men den har fördelen av att vara extremt kompakt och anpassningsbar, "säger Ernst Bauer." Vi vill använda den för att ge energi till sensorer och små elektroniska applikationer. "Efterfrågan på sådana småskaliga generatorer växer snabbt:I" sakernas internet, "fler och fler enheter kopplas samman online så att de automatiskt samordnar sitt beteende med varandra. Detta är särskilt lovande för framtida produktionsanläggningar, där en maskin måste reagera dynamiskt på en annan.

"Om du behöver ett stort antal sensorer i en fabrik, du kan inte koppla ihop dem alla. Det är mycket smartare för sensorerna att kunna generera sin egen kraft med en liten termoelektrisk enhet, säger Bauer.