Mycket värme går förlorad under energiomvandlingen. Uppskattningar ger till och med mer än 70 %. Men i termoelektriska material, som de som studeras vid Institute of Solid State Physics vid TU Wien, kan värme omvandlas direkt till elektrisk energi. Denna effekt (Seebeck-effekten) kan användas i många tillämpningar inom industrin men också i vardagen.

Nyligen gjorde Ernst Bauers forskargrupp en spännande upptäckt i ett termoelektriskt material bestående av järn, vanadin och aluminium (Fe₂ VAl). Forskarna publicerade nyligen sina resultat i Nature Communications .

Den idealiska termoelektriska

För att uppnå största möjliga energiomvandlingseffekt letar forskarna efter material som uppfyller ett antal egenskaper:De ska ha stor Seebeckeffekt, hög elektrisk ledningsförmåga och låg värmeledningsförmåga. Detta är dock extremt svårt eftersom dessa egenskaper är inbördes relaterade och beroende av varandra. Därför frågade sig forskarna hur ett material skulle behöva se ut fysiskt för att uppfylla alla dessa villkor på bästa möjliga sätt.

Således har fysiker vid TU Wien lyckats hitta ett nytt koncept för att lösa denna motsägelse och optimera alla termoelektriska egenskaper i ett material samtidigt. "Vid den så kallade Anderson-övergången, en kvantfasövergång från lokaliserade till mobila elektrontillstånd, är villkoren för den ideala termoelektriken uppfyllda. Det betyder att alla ledningselektroner har ungefär samma energi", rapporterar Fabian Garmroudi, första författare till studera.

Anderson-övergången sker i halvledare när föroreningsatomer tillsätts, vilket starkt binder deras elektroner. "Analogt med isflak i havet är dessa till en början isolerade från varandra och går inte att trampa på. Men om antalet isflak är tillräckligt stort har du en kontinuerlig förbindelse genom vilken du kan korsa havet", säger Fabian Garmroudi gör en jämförelse. Detta händer på liknande sätt i fasta ämnen:om antalet föroreningsatomer överstiger ett kritiskt värde kan elektronerna plötsligt röra sig fritt från en atom till en annan och elektricitet kan flöda.

Atomer byter plats när det blir varmt

Anderson-övergången demonstrerades i nära samarbete med forskare från Sverige och Japan samt universitetet i Wien, och kopplades för första gången till en betydande förändring av termoelektriska egenskaper. Teamet gjorde den spännande upptäckten när de värmde materialet till mycket höga temperaturer, nära smältpunkten.

"Vid höga temperaturer vibrerar atomerna så kraftigt att de emellanåt byter gitterpositioner. Till exempel finns då järnatomer där vanadinatomer fanns tidigare. Vi lyckades frysa denna 'atomförvirring', som uppstår vid höga temperaturer, genom att så -kallas "quenching", det vill säga snabb kylning i ett vattenbad", rapporterar Ernst Bauer. Dessa oregelbundna defekter tjänar exakt samma syfte som de föroreningsatomer som nämnts tidigare, utan att behöva ändra materialets kemiska sammansättning.

Energiomvandling tack vare störning

Inom många forskningsområden inom fasta tillståndets fysik är man intresserad av material som är så rena som möjligt och har en idealisk kristallstruktur. Anledningen:atomernas regelbundenhet förenklar en teoretisk beskrivning av de fysikaliska egenskaperna. När det gäller Fe₂ VAl är det dock just ofullkomligheterna som står för det mesta av den termoelektriska prestandan. Det har också redan visat sig inom närliggande discipliner att oegentligheter kan vara fördelaktiga:"Grundforskning om kvantmaterial är ett bra exempel på detta. Där har vetenskapen redan kunnat visa att oordning ofta är den nödvändiga kryddan i "kvantsoppan" ," säger Andrej Pustogow, en av medförfattarna. "Nu har detta koncept även anlänt i tillämpad solid state-forskning." + Utforska vidare

Arsenik hjälper till att göra svart fosfor stabil för energieffektivitet