Materialforskare vid Duke University har avslöjat en atommekanism som gör vissa termoelektriska material otroligt effektiva vid högtemperaturfasövergångar. Informationen hjälper till att fylla kritiska kunskapsluckor i beräkningsmodelleringen av sådant material, möjliggör för forskare att upptäcka nya och bättre alternativ för teknik som är beroende av att omvandla värme till el.

Resultaten visas online den 4 september i tidningen Naturkommunikation .

Termoelektriska material omvandlar värme till elektricitet när elektroner migrerar från materialets heta sida till den kalla sidan. Eftersom det krävs en temperaturskillnad mellan dess två sidor, forskare är intresserade av att försöka använda dessa material för att generera elektricitet från värmen i bilens avgasrör eller återvinna energi som går förlorad som värme i kraftverk.

Under de senaste åren har nya rekord sattes för termoelektrisk effektivitet med ett framväxande material som heter tinselenid och dess systerförening, tenn -sulfid. Sulfidversionen är inte riktigt lika bra termoelektrisk än, men det optimeras ytterligare eftersom det är billigare att producera och mer miljövänligt.

Medan forskare vet att båda dessa föreningar är utmärkta termoelektriska material, de vet inte riktigt varför. I den nya studien, Olivier Delaire, docent i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke, och två av hans doktorander, Tyson Lanigan-Atkins och Shan Yang, försökte fylla i lite av den kunskapsluckan.

"Vi ville försöka förstå varför dessa material har så låg värmeledningsförmåga, vilket hjälper till att möjliggöra de starka termoelektriska egenskaper de är kända för, "sa Delaire." Med hjälp av en kraftfull kombination av neutronspridningsmätningar och datasimuleringar, vi upptäckte att det är relaterat till materialets atomvibrationer vid hög temperatur, som ingen hade sett förut. "

Låg värmeledningsförmåga är en nödvändig ingrediens i alla bra termoelektriska material. Eftersom elproduktion kräver en värmeskillnad mellan sina två sidor, det är vettigt att material som hindrar värme från att sprida sig över dem skulle fungera bra.

För att få en bild av tinsulfids atomvibrationer i aktion, Delaire och Lanigan-Atkins tog prover till High Flux Isotope Reactor vid Oak Ridge National Laboratory. Genom att ricocheting neutroner från tenn -sulfidets atomer och upptäcka var de hamnar efter, forskarna kunde avgöra var atomerna var och hur de kollektivt vibrerade i kristallens gitter.

Anläggningarna på ORNL var särskilt väl lämpade för uppgiften. Eftersom atomvibrationerna av tenn -sulfid är relativt långsamma, forskarna behöver lågenergi "kalla" neutroner som är känsliga nog att se dem. Och ORNL har några av de bästa kallneutroninstrumenten i världen.

"Vi fann att tenn -sulfiden effektivt har vissa vibrationssätt som är mycket" disketter, "sa Delaire." Och att dess egenskaper är förenade med inneboende instabilitet i sitt kristallgitter. "

Vid lägre temperaturer, tenn -sulfid är ett skiktat material med förvrängda galler av tenn och sulfid som ligger ovanpå en annan, korrugerad som ett dragspel. Men vid temperaturer nära dess fasövergångspunkt på 980 grader Fahrenheit - där termoelektriska generatorer ofta fungerar - börjar den förvrängda miljön bryta ner. De två lagren, som genom en magi, bli oförvrängd igen och mer symmetrisk, det är där "disketten" spelar in.

Eftersom materialet slingrar mellan de två strukturarrangemangen vid hög temperatur, dess atomer vibrerar inte längre tillsammans som en välstämd gitarrsträng och blir istället anharmoniskt dämpade. För att förstå detta bättre, tänk på en bil med fruktansvärda stötar som med en harmonisk vibration - den kommer att fortsätta studsa länge efter att ha gått över den minsta stöt. Men korrekta stötar dämpar den vibrationen, gör det anharmoniskt och hindrar det från att svänga under en lång tid.

"Värmeböljor rör sig genom atomvibrationer i ett material, "sa Delaire." Så när atomvibrationerna i tenn -sulfid blir diskett, de överför inte vibrationer särskilt snabbt och de vibrerar inte heller särskilt länge. Det är grundorsaken till dess förmåga att stoppa värmen från att resa inom den. "

Med dessa resultat i handen, Delaire och Yang försökte sedan bekräfta och förstå dem beräkningsmässigt. Använda superdatorer på Lawrence Berkeley National Laboratory, Yang kunde återge samma anharmoniska effekter vid höga temperaturer. Förutom att bekräfta vad de såg i experimenten, Delaire säger att dessa uppdaterade modeller gör det möjligt för forskare att bättre söka efter nya termoelektriska material att använda i morgondagens teknik.

"Forskare inom området har inte redogjort för starka temperaturberoende av värmeutbredningshastigheter, och denna modellering visar hur viktig den variabeln kan vara, "sade Delaire." Att anta dessa resultat och andra teoretiska framsteg kommer att göra det lättare för materialforskare att förutsäga andra bra termoelektriska material. "