Fysiker har upptäckt en ny effekt, vilket gör det möjligt att skapa utmärkta värmeisolatorer som leder elektricitet. Sådana material kan användas för att omvandla spillvärme till elektrisk energi.

Varje dag tappar vi värdefull energi i form av spillvärme - i tekniska apparater hemma, men också i stora energisystem. En del av det kan återvinnas med hjälp av den "termoelektriska effekten". Värmeflödet från en het enhet till den kalla miljön kan direkt omvandlas till elektrisk kraft. För att uppnå det, dock, material med mycket speciella egenskaper krävs. De måste vara bra elektriska ledare, men dåliga värmeledare - två krav som är svåra att förena.

Forskare över hela världen letar efter sådana material. Vissa material med en burliknande struktur har visat sig särskilt lovande, till exempel klatrater, som studeras vid TU Wien. Nu, efter noggranna undersökningar, en anmärkningsvärd effekt har visats, vilket kan förklara den speciellt låga värmeledningsförmågan hos dessa material.

Fängelseceller för atomer

"Klatrater är kristaller med en mycket speciell struktur, "förklarar professor Silke Bühler-Paschen från Institute of Solid State Physics vid Wiens tekniska universitet." Deras kristallgitter innehåller små burar där enskilda atomer är låsta. Dessa atomer kan svänga fram och tillbaka i sin enda cell, utan att se mycket av resten av kristallen. "

Värme i en fast substans är närvarande i form av vibrationer i dess atomer. När en kristall värms upp, vibrationerna blir starkare tills, vid något tillfälle, bindningarna mellan atomerna bryts och kristallen smälter. "Det finns två typer av vibrationer, "säger Silke Bühler-Paschen." Om grannatomer är starkt bundna, då kan vibrationen hos en atom överföras direkt till dess grannar och en värmebölja sprider sig genom materialet. Ju starkare kopplingen mellan atomerna, desto snabbare utbredning av vågen och desto större värmeledning. Dock, om en atom är mycket svagt bunden till sina grannar, precis som atomen som sitter i klathratburen, då är den i stort sett oberoende av de andra och värmeböljan är extremt långsam. "

Ny effekt:Den kondoliknande fononspridningen

Som en del av sin avhandling med Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda fick reda på att det beror på en viss interaktion mellan dessa två typer av värmeböljor som klatrater är så bra värmeisolatorer. Matthias Ikeda utförde exakta och omfattande mätningar. Serie av kristaller, var och en med lite olika egenskaper, tillverkades vid TU Wien och mättes noggrant. "I slutet, vi kunde bevisa vad ingen ville tro oss till en början:det finns en hittills okänd fysisk effekt som undertrycker värmeledningsförmågan-vi kallar det Kondo-liknande fononspridning, säger Matthias Ikeda.

På grund av kristallstrukturen, en atom i klathratburen vibrerar företrädesvis i två specifika riktningar. "När en värmebölja kommer, den kan - för en kort tid - gå in i ett slags bundet tillstånd med en sådan vibration. Värmeböljan ändrar oscillationsriktningen för atomen i klathratburen, "säger Silke Bühler-Paschen." Denna process bromsar värmeböljan, och så minskar värmeledningsförmågan. Även om klatrater leder elektricitet, de är bra värmeisolatorer. "

Bättre material för termoelektrisk

Detta är exakt kombinationen av materialegenskaper som krävs för att använda den termoelektriska effekten i industriell skala. Något varmt är kopplat till något kallt med rätt material, och energiflödet däremellan kan omvandlas direkt till el. Å ena sidan, materialet måste leda elektrisk ström, men å ena sidan, det bör inte jämna ut temperaturerna genom att leda värmen för snabbt, annars kan effekten inte längre användas.

"Projektet var mycket tidskrävande, förutom många experiment, omfattande datasimuleringar måste utvecklas för att förstå de kvantfysiska processerna bakom denna effekt, "säger Silke Bühler-Paschen." Men det var värt det:Med vårt koncept om kondoliknande fononspridning, det är nu mycket lättare att förstå beteendet hos klatrater och därför kan vi arbeta mer målmedvetet för att hitta de mest effektiva materialen för termoelektriska applikationer. "