Tänk dig att kunna driva din bil delvis från värmen som motorn avger. Eller tänk om du kunde få en del av ditt hems el från värmen som ett kraftverk avger? Sådana energieffektiva scenarier kan en dag vara möjliga med förbättringar av termoelektriska material-som spontant producerar elektricitet när en sida av materialet värms upp.

Under de senaste 60 åren eller så, forskare har studerat ett antal material för att karakterisera deras termoelektriska potential, eller effektiviteten med vilken de omvandlar värme till kraft. Men hittills, de flesta av dessa material har gett effektivitet som är för låg för någon utbredd praktisk användning.

MIT -fysiker har nu hittat ett sätt att avsevärt öka termoelektricitetens potential, med en teoretisk metod som de idag redovisar i Vetenskapliga framsteg . Materialet de modellerar med denna metod är fem gånger effektivare, och kan potentiellt generera dubbelt så mycket energi, som de bästa termoelektriska materialen som finns idag.

"Om allt fungerar till våra vildaste drömmar, sen plötsligt, många saker som just nu är för ineffektiva för att göra kommer att bli mer effektiva, säger huvudförfattaren Brian Skinner, en postdoc i MIT:s forskningslaboratorium för elektronik. "Du kanske ser i människors bilar små termoelektriska återvinnare som tar bort spillvärmen som din bilmotor släpper, och använd den för att ladda batteriet. Eller så kan dessa enheter placeras runt kraftverk så att värme som tidigare slösades bort av din kärnreaktor eller kolkraftverk nu återvinns och sätts in i elnätet. "

Skinners medförfattare på tidningen är Liang Fu, Sarah W. Biedenharn Docent i karriärutveckling i fysik vid MIT.

Hitta hål i en teori

Ett material förmåga att producera energi från värme baseras på beteendet hos sina elektroner i närvaro av en temperaturskillnad. När ena sidan av ett termoelektriskt material värms upp, det kan ge elektroner energi att hoppa bort från den heta sidan och ackumuleras på den kalla sidan. Den resulterande uppbyggnaden av elektroner kan skapa en mätbar spänning.

Material som hittills har undersökts har genererat väldigt lite termoelektrisk effekt, delvis på grund av att elektroner är relativt svåra att termiskt aktivera. I de flesta material, elektroner finns i specifika band, eller energiområden. Varje band separeras av ett gap - ett litet energiområde där elektroner inte kan existera. Att energisätta elektroner tillräckligt för att korsa ett bandgap och fysiskt migrera över ett material har varit extremt utmanande.

Skinner och Fu bestämde sig för att titta på den termoelektriska potentialen i en familj av material som kallas topologiska halvmetaller. I motsats till de flesta andra fasta material som halvledare och isolatorer, topologiska semimetaller är unika genom att de har nollbandspalter - en energikonfiguration som gör att elektroner enkelt kan hoppa till högre energiband vid uppvärmning.

Forskare hade antagit att topologiska halvmetaller, en relativt ny typ av material som till stor del syntetiseras i labbet, skulle inte generera mycket termoelektrisk effekt. När materialet värms upp på ena sidan, elektroner aktiveras, och ackumuleras i andra änden. Men när dessa negativt laddade elektroner hoppar till högre energiband, de lämnar efter sig vad som kallas "hål" – partiklar med positiv laddning som också hopar sig på materialets kalla sida, avbryter elektronernas effekt och producerar väldigt lite energi i slutändan.

Men laget var inte riktigt redo att rabattera detta material. I en orelaterade forskning, Skinner hade märkt en märklig effekt hos halvledare som utsätts för ett starkt magnetfält. Under sådana förhållanden, magnetfältet kan påverka elektronernas rörelse, böja sin bana. Skinner och Fu undrade:Vilken typ av effekt kan ett magnetfält ha i topologiska semimetaller?

De konsulterade litteraturen och fann att ett team från Princeton University, i ett försök att fullt ut karakterisera en typ av topologiskt material som kallas blytenn selenid, hade också mätt sina termoelektriska egenskaper under ett magnetfält 2013. Bland deras många observationer av materialet, forskarna hade rapporterat att de såg en ökning av termoelektrisk generation, under ett mycket högt magnetfält på 35 tesla (de flesta MR -maskiner, för jämförelse, fungerar runt 2 till 3 tesla).

Skinner och Fu använde egenskaperna hos materialet från Princeton -studien för att teoretiskt modellera materialets termoelektriska prestanda under en rad temperatur- och magnetfältförhållanden.

"Så småningom kom vi på att under ett starkt magnetfält, en rolig sak händer, där du kan få elektroner och hål att röra sig i motsatta riktningar, "Skinner säger." Elektroner går mot den kalla sidan, och hål mot den heta sidan. De arbetar tillsammans och, i princip, du kan få en större och större spänning ur samma material bara genom att göra magnetfältet starkare. "

Tesla -kraft

I sin teoretiska modellering, gruppen beräknade blytennselenids ZT, eller meritfigur, en mängd som berättar hur nära ditt material är för den teoretiska gränsen för att generera kraft från värme. De mest effektiva materialen som hittills har rapporterats har en ZT på cirka 2. Skinner och Fu fann att, under ett starkt magnetfält på cirka 30 tesla, blytenn selenid kan ha en ZT på cirka 10 — fem gånger mer effektiv än den bäst presterande termoelektriska.

"Det är långt utanför skalan, "Säger Skinner." När vi först snubblade över den här idén, det verkade lite för dramatiskt. Det tog några dagar att övertyga mig själv om att allt stämmer. "

De beräknar att ett material med en ZT lika med 10, om den upphettas vid rumstemperatur till cirka 500 kelvin, eller 440 grader Fahrenheit, under ett magnetfält på 30 tesla, bör kunna vända 18 procent av den värmen till el, jämfört med material med en ZT lika med 2, som bara skulle kunna omvandla 8 procent av den värmen till energi.

Gruppen erkänner att för att uppnå så hög effektivitet, för närvarande tillgängliga topologiska halvmetaller skulle behöva värmas upp under ett extremt högt magnetfält som bara kunde produceras av en handfull anläggningar i världen. För att dessa material ska vara praktiska för användning i kraftverk eller bilar, de bör fungera i intervallet 1 till 2 tesla.

Fu säger att detta borde vara möjligt om ett topologiskt halvmetall var extremt rent, vilket betyder att det finns väldigt få föroreningar i materialet som skulle kunna hindra elektronernas flöde.

"Att göra material väldigt rent är mycket utmanande, men människor har satsat mycket på tillväxt av dessa material av hög kvalitet, "Säger Fu.

Han tillägger att blytennselenid, materialet de fokuserade på i sin studie, är inte den renaste topologiska halvmetall som forskare har syntetiserat. Med andra ord, det kan finnas andra, renare material som kan generera samma mängd värmeeffekt med ett mycket mindre magnetfält.

"Vi kan se att detta material är ett bra termoelektriskt material, men det borde finnas bättre, "Fu säger." Ett tillvägagångssätt är att ta det bästa [topologiska semimetal] vi har nu, och applicera ett magnetfält på 3 tesla. Det kanske inte ökar effektiviteten med en faktor 2, men kanske 20 eller 50 procent, vilket redan är ett ganska stort framsteg. "

Teamet har ansökt om patent på sin nya termoelektriska metod och samarbetar med Princeton-forskare för att experimentellt testa teorin.