Tänk om du kunde köra din luftkonditionering inte på konventionell el, men på solens värme under en varm sommardag? Med framsteg inom termoelektrisk teknik, denna hållbara lösning kan en dag bli verklighet.

Termoelektriska enheter är gjorda av material som kan omvandla en temperaturskillnad till elektricitet, utan att kräva några rörliga delar – en kvalitet som gör termoelektrik till en potentiellt tilltalande källa till el. Fenomenet är reversibelt:Om elektricitet appliceras på en termoelektrisk enhet, det kan ge en temperaturskillnad. I dag, termoelektriska enheter används för applikationer med relativt låg effekt, som att driva små sensorer längs oljeledningar, säkerhetskopiera batterier på rymdsonder, och kylande minikylskåp.

Men forskare hoppas kunna designa mer kraftfulla termoelektriska enheter som kommer att skörda värme – producerad som en biprodukt av industriella processer och förbränningsmotorer – och förvandla den annars bortkastade värmen till elektricitet. Dock, effektiviteten hos termoelektriska enheter, eller mängden energi de kan producera, är för närvarande begränsad.

Nu har forskare vid MIT upptäckt ett sätt att öka effektiviteten tre gånger, använda "topologiska" material, som har unika elektroniska egenskaper. Medan tidigare arbeten har föreslagit att topologiska material kan fungera som effektiva termoelektriska system, det har funnits liten förståelse för hur elektroner i sådana topologiska material skulle färdas som svar på temperaturskillnader för att producera en termoelektrisk effekt.

I en tidning som publicerades denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , MIT-forskarna identifierar den underliggande egenskapen som gör vissa topologiska material till ett potentiellt mer effektivt termoelektriskt material, jämfört med befintliga enheter.

"Vi har funnit att vi kan tänja på gränserna för detta nanostrukturerade material på ett sätt som gör topologiska material till ett bra termoelektriskt material, mer än konventionella halvledare som kisel, " säger Te-Huan Liu, en postdoc vid MIT:s institution för maskinteknik. "I slutet, det här kan vara ett sätt att använda ren energi för att hjälpa oss att använda en värmekälla för att generera elektricitet, vilket kommer att minska vår utsläpp av koldioxid."

Liu är första författare till PNAS papper, som inkluderar doktorander Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, och Qichen Song; Mingda Li, biträdande professor vid institutionen för kärnvetenskap och teknik; tidigare doktorand Bolin Liao, nu biträdande professor vid University of California i Santa Barbara; Liang Fu, Biedenharn docent i fysik; och Gang Chen, Söderbergsprofessorn och prefekt för institutionen för maskinteknik.

En stig som gick fritt

När ett termoelektriskt material utsätts för en temperaturgradient, t.ex. ena änden är uppvärmd, medan den andra är kyld – elektroner i det materialet börjar strömma från den varma änden till den kalla änden, genererar en elektrisk ström. Ju större temperaturskillnaden är, ju mer elektrisk ström produceras, och ju mer ström genereras. Mängden energi som kan genereras beror på de särskilda transportegenskaperna hos elektronerna i ett givet material.

Forskare har observerat att vissa topologiska material kan göras till effektiva termoelektriska enheter genom nanostrukturering, en teknik som forskare använder för att syntetisera ett material genom att mönstra dess egenskaper i nanometerskala. Forskare har trott att topologiska materials termoelektriska fördel kommer från en minskad värmeledningsförmåga i deras nanostrukturer. Men det är oklart hur denna effektivitetsförbättring hänger ihop med materialets inneboende, topologiska egenskaper.

För att försöka svara på denna fråga, Liu och hans kollegor studerade den termoelektriska prestandan hos tenntellurid, ett topologiskt material som är känt för att vara ett bra termoelektriskt material. Elektronerna i tenntellurid uppvisar också speciella egenskaper som efterliknar en klass av topologiska material som kallas Dirac-material.

Teamet syftade till att förstå effekten av nanostrukturering på tenntellurids termoelektriska prestanda, genom att simulera hur elektroner färdas genom materialet. För att karakterisera elektrontransport, forskare använder ofta ett mått som kallas "medelfri väg, " eller det genomsnittliga avståndet som en elektron med en given energi fritt skulle färdas inom ett material innan den sprids av olika föremål eller defekter i det materialet.

Nanostrukturerade material liknar ett lapptäcke av små kristaller, var och en med gränser, känd som korngränser, som skiljer en kristall från en annan. När elektroner möter dessa gränser, de tenderar att spridas på olika sätt. Elektroner med långa medelfria vägar kommer att spridas kraftigt, som kulor som rikoschetterar från en vägg, medan elektroner med kortare medelfria vägar påverkas mycket mindre.

I sina simuleringar, forskarna fann att tenntellurids elektronegenskaper har en betydande inverkan på deras genomsnittliga fria vägar. De plottade tenntellurids intervall av elektronenergier mot de associerade genomsnittliga fria banorna, och fann att den resulterande grafen såg väldigt annorlunda ut än de för de flesta konventionella halvledare. Specifikt, för tenntellurid och eventuellt andra topologiska material, resultaten tyder på att elektroner med högre energi har en kortare medelfri väg, medan elektroner med lägre energi vanligtvis har en längre medelfri väg.

Teamet tittade sedan på hur dessa elektronegenskaper påverkar tenntellurids termoelektriska prestanda, genom att i huvudsak summera de termoelektriska bidragen från elektroner med olika energier och medelfria banor. Det visar sig att materialets förmåga att leda elektricitet, eller generera ett flöde av elektroner, under en temperaturgradient, är till stor del beroende av elektronenergin.

Specifikt, de fann att elektroner med lägre energi tenderar att ha en negativ inverkan på genereringen av en spänningsskillnad, och därför elektrisk ström. Dessa lågenergielektroner har också längre medelfria vägar, vilket innebär att de kan spridas av korngränser mer intensivt än elektroner med högre energi.

Storleken ner

Att gå ett steg längre i sina simuleringar, laget lekte med storleken på tenntellurids individuella korn för att se om detta hade någon effekt på flödet av elektroner under en temperaturgradient. De fann att när de minskade diametern på ett medelkorn till cirka 10 nanometer, föra dess gränser närmare varandra, de observerade ett ökat bidrag från elektroner med högre energi.

Det är, med mindre kornstorlekar, elektroner med högre energi bidrar mycket mer till materialets elektriska ledning än elektroner med lägre energi, eftersom de har kortare medelfria vägar och är mindre benägna att spridas mot korngränser. Detta resulterar i en större spänningsskillnad som kan genereras.

Vad mer, forskarna fann att en minskning av tenntellurids genomsnittliga kornstorlek till cirka 10 nanometer producerade tre gånger den mängd elektricitet som materialet skulle ha producerat med större korn.

Liu säger att medan resultaten är baserade på simuleringar, forskare kan uppnå liknande prestanda genom att syntetisera tenntellurid och andra topologiska material, och justera deras kornstorlek med hjälp av en nanostruktureringsteknik. Andra forskare har föreslagit att krympning av ett materials kornstorlek kan öka dess termoelektriska prestanda, men Liu säger att de mest har antagit att den ideala storleken skulle vara mycket större än 10 nanometer.

"I våra simuleringar, vi fann att vi kan krympa ett topologiskt materials kornstorlek mycket mer än vi tidigare trott, och baserat på detta koncept, vi kan öka dess effektivitet, " säger Liu.

Tenntellurid är bara ett exempel på många topologiska material som ännu inte har utforskats. Om forskare kan bestämma den ideala kornstorleken för vart och ett av dessa material, Liu säger att topologiska material snart kan vara ett livskraftigt, effektivare alternativ till att producera ren energi.

"Jag tror att topologiska material är mycket bra för termoelektriska material, och våra resultat visar att detta är ett mycket lovande material för framtida tillämpningar, " säger Liu.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.