Landningen av NASA:s Perseverance-rover var ytterligare ett steg framåt, inte bara för utforskning av rymden utan också för tekniken som driver farkosten på dess år långa uppdrag på Mars – en termoelektrisk generator som omvandlar värme till elektricitet.

Letar du efter nästa steg inom termoelektrisk teknik, forskare vid Duke University och Michigan State University fick nya grundläggande insikter om två magnesiumbaserade material (Mg ₃ Sb ₂ och Mg ₃ Bi ₂ ) som har potential att avsevärt överträffa traditionella termoelektriska konstruktioner och som också skulle vara mer miljövänliga och billigare att tillverka. I motsats till rådande vetenskaplig visdom om användning av tunga element, forskarna visade att ersättning av atomer av tyngre grundämnen som kalcium och ytterbium med lättare magnesiumatomer faktiskt ledde till en trefaldig ökning av de magnesiumbaserade materialens prestanda.

I sin forskning, publiceras i tidskriften Vetenskapliga framsteg , teamet använde neutron- och röntgenspridningsexperiment vid Department of Energy (DOE) Oak Ridge (ORNL) och Argonne nationella laboratorier, samt simuleringar av superdatorer vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Undersökningar på atomär skala avslöjade ursprunget och mekanismen bakom materialens förmåga att omvandla termisk energi vid rumstemperatur till elektricitet. Fynden indikerar möjliga nya vägar för att förbättra termoelektriska tillämpningar som de i Perseverance-rovern och otaliga andra enheter och energigenererande teknologier.

Termoelektriska material skapar i huvudsak en spänning från en temperaturskillnad mellan de varma och kalla sidorna av materialet. Genom att omvandla värmeenergi till el, eller tvärtom, termoelektriska anordningar kan användas för kylning eller elkraftgenerering från värmeavgaser.

"Traditionella termoelektriska material förlitar sig på tunga element som bly, vismut, och tellur - element som inte är särskilt miljövänliga, och de är inte heller mycket rikliga, så de brukar vara dyra, "sa Olivier Delaire, docent vid Duke. "Magnesium å andra sidan är lättare och rikligare, vilket gör det till ett idealiskt material för transport- och rymdflyg, till exempel."

Vanligtvis, Delaire förklarade, lättare material är inte väl lämpade för termoelektriska konstruktioner eftersom deras värmeledningsförmåga är för hög, vilket innebär att de överför för mycket värme för att upprätthålla den temperaturskillnad som behövs för att producera spänningen. Tyngre material är i allmänhet mer önskvärda eftersom de leder mindre värme, så att de kan bevara och omvandla värmeenergi mer effektivt.

"Dessa magnesiummaterial, dock, har anmärkningsvärt låg termoelektrisk konduktivitet trots att den har en låg massdensitet. Dessa egenskaper skulle potentiellt kunna öppna dörren för att designa nya typer av termoelektrik som inte är beroende av tunga material med giftiga element, " förklarade Delaire.

Magnesiummaterialen som teamet studerade tillhör en större klass av metallföreningar som kallas Zintls. Atomstrukturen, eller arrangemang av atomer, i Zintl-föreningar är sådan att det är relativt lätt att experimentera med och ersätta olika element i materialet – till exempel, ersätta ett tungt element med ett lätt element för att uppnå optimal prestanda och funktionalitet.

"I kemiska studier har att utforska möjligheter för nya material innebär ofta att ett element ersätts med ett annat bara för att se vad som händer. Vanligtvis ersätter vi dem med kemiskt liknande grundämnen i det periodiska systemet, och en av de stora fördelarna med att använda Zintls är att vi kan experimentera med många olika element och olika kombinationer, "sade tidningens första författare Jingxuan Ding, en doktorandforskare i Delaires grupp på Duke. "Ingen förväntade sig att magnesium skulle vara den bättre föreningen, men när våra medarbetare i Michigan State ersatte det med materialets ingredienser, vi blev förvånade över att det faktiskt var så, så nästa steg var att ta reda på varför. "

Atomerna i ett material är inte statiska, eller orörlig; de vibrerar med amplituder som ökar med högre temperaturer. De kollektiva vibrationerna skapar en krusningseffekt, kallas en fonon, som ser ut som vågor på ytan av en damm. Dessa vågor är det som transporterar värme genom ett material, det är därför det är viktigt att mäta fononvibrationer för att bestämma ett materials värmeledningsförmåga.

Neutroner är unikt lämpade för att studera kvantfenomen som fononer eftersom neutroner inte har någon laddning och kan interagera med kärnor. Delaire liknade neutroninteraktioner med att plocka en gitarrsträng genom att de kan överföra energi till atomerna för att väcka vibrationer och framkalla dold information om atomerna inuti ett material.

Teamet använde Wide Angular-Range Chopper Spectrometer, eller ARCS, vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) för att mäta fononvibrationerna. Data de inhämtade gjorde det möjligt för dem att spåra materialens gynnsamma låga värmeledningsförmåga till en speciell magnesiumbindning som stör fononvågornas färd genom materialet genom att få dem att störa varandra.

"Neutroner är ett av de bästa sätten att mäta atomvibrationer som de vi studerar i dessa material, ", sa Ding. "ARCS kan detektera ett brett spektrum av frekvenser och våglängder som hjälper oss att mäta fononvågorna som finns i materialet, vilket är precis vad vi behöver för att bättre förstå hur dessa material med låg värmeledningsförmåga fungerar."

Neutronspridningsmätningarna gav forskargruppen en bred undersökning av den inre dynamiken i magnesium Zintl-material som hjälpte till att vägleda och förfina datasimuleringar och efterföljande röntgenförsök som leds av Ding. Dessa användes för att bygga en fullständig förståelse för ursprunget till materialens värmeledningsförmåga.

Kompletterande röntgenexperiment vid Argonnes Advanced Photon Source (APS) användes för att zooma in på specifika fononlägen i kristallprover för små för neutronmätningar. Både neutron- och röntgenmätningarna stämde överens med superdatorsimuleringarna som utfördes vid NERSC.

Förutom Ding och Delaire, tidningens medförfattare inkluderar Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said, och Alexandra Zevalkink.

"Termoelektrisk är avgörande för applikationer som Mars Perseverance -rovern som kräver enklare, mer lätta och pålitliga konstruktioner istället för de skrymmande motorerna med rörliga delar som traditionellt används för att generera el från värme, "sade Delaire." Dessa magnesiumbaserade material är ett stort framsteg inom området som kan erbjuda betydligt mer energieffektivitet och mycket potential för mer avancerade termoelektriska applikationer. "