Forskare har upptäckt att en klass av material som är kända för att omvandla värme till elektricitet och vice versa beter sig ganska oväntat på nanoskala som svar på förändringar i temperatur. Upptäckten - som beskrivs i den 17 december, 2010, frågan om Vetenskap - är en ny fasövergång i motsatt riktning som hjälper till att förklara den starka termoelektriska responsen hos dessa material. Det kan också hjälpa forskare att identifiera andra användbara termoelektriska och kan främja deras tillämpning för att fånga energi förlorad som värme, till exempel, i fordons- och fabriksavgaser.

Forskarna - från det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, Columbia University, Argonne National Laboratory, Los Alamos nationella laboratorium, Northwestern University, och det schweiziska federala tekniska institutet - studerade blykalkogenider (bly parat med tellur, selen, eller svavel) med hjälp av nyligen tillgängliga experimentella tekniker och teoretiska tillvägagångssätt som tillåter dem att "se" och modellera beteendet hos enskilda atomer på nanoskala, eller i storleksordningen miljarddels meter. Med dessa verktyg kunde de observera subtila förändringar i atomarrangemang som var osynliga för konventionella struktursonder.

För att förstå fasövergången som forskarna observerade, tänk på det vardagliga svaret av en gas som ångkylning för att bilda flytande vatten, och sedan frysa för att bilda fast is. I varje fall, atomerna genomgår någon form av strukturell omarrangering, förklarar Simon Billinge, en fysiker vid Brookhaven Lab och Columbia University's School of Engineering and Applied Science och en huvudförfattare på Vetenskap papper.

"Ibland, ytterligare kylning kommer att leda till ytterligare strukturella övergångar:Atomer i kristallen omarrangeras eller förskjuts för att sänka den övergripande symmetrin, " säger Billinge. Utvecklingen av sådana lokaliserade atomförvrängningar vid kylning är normalt, han säger. "Vad vi upptäckte i blykalkogenider är det motsatta beteendet:vid den allra lägsta temperaturen, det fanns inga atomförskjutningar, ingenting - men vid uppvärmning, förskjutningar dyker upp! "

Teknikerna som forskarna använde för att observera denna atomverkan i nanoskala var högteknologiska versioner av röntgensyn, hjälp av matematisk och datoranalys av resultaten. Först gjordes blymaterialen i renad pulverform vid Northwestern University. Sedan bombarderade forskarna proverna med två typer av strålar - röntgenstrålar vid Advanced Photon Source i Argonne och neutroner vid Lujan Neutron Scattering Center i Los Alamos. Detektorer samlar information om hur dessa strålar sprider sig ur provet för att producera diffraktionsmönster som anger atomernas positioner och arrangemang. Ytterligare matematisk och beräkningsanalys av data med hjälp av datorprogram utvecklade vid Brookhaven och Columbia gjorde det möjligt för forskarna att modellera och tolka vad som hände på atomnivå över en rad temperaturer.

Brookhaven fysiker Emil Bozin, första författare på tidningen, var den första som märkte det udda beteendet i data, och han arbetade ihärdigt för att bevisa att det var något nytt och inte en dataartefakt. "Om vi ​​bara hade tittat på den genomsnittliga strukturen, vi skulle aldrig ha observerat denna effekt. Vår analys av atomparfördelningsfunktioner ger oss en mycket mer lokal syn - avståndet från en viss atom till dess närmaste grannar - snarare än bara genomsnittet, " säger Bozin. Den detaljerade analysen visade att, när materialet blev varmare, dessa avstånd förändrades i liten skala - cirka 0,025 nanometer - vilket indikerar att enskilda atomer förflyttades.

Forskarna har gjort en animation för att illustrera uppkomsten av dessa förskjutningar vid uppvärmning. I det, förskjutningarna representeras av pilar för att indikera atomernas ändrade orientering när de vänder fram och tillbaka, eller fluktuera, som små dipoler.

Enligt forskarna, det är detta slumpmässiga vändningsbeteende som är nyckeln till materialens förmåga att omvandla värme till elektricitet.

"De slumpmässigt vändande dipolerna hindrar värmens rörelse genom materialet på ungefär samma sätt som det är svårare att röra sig genom en oordnad skog än en välordnad äppelträdgård där träden står uppradade i rader, "Billinge säger." Denna låga värmeledningsförmåga gör att en stor temperaturgradient kan bibehållas i hela provet, vilket är avgörande för de termoelektriska egenskaperna."

När ena sidan av materialet kommer i kontakt med värme - säg, i bilens avgassystem - lutningen kommer att orsaka laddningsbärare i det termoelektriska materialet (t.ex. elektroner) för att diffundera från den varma sidan till den kalla sidan. Att fånga upp denna termiskt inducerade elektriska ström skulle kunna använda "spillvärmen".

Denna forskning kan hjälpa forskare att söka efter andra termoelektriska material med exceptionella egenskaper, eftersom det kopplar det goda termoelektriska svaret till förekomsten av fluktuerande dipoler.

"Vårt nästa steg kommer att vara att söka efter nya material som visar denna nya fasövergång, och hitta andra strukturella signaturer för detta beteende, " sade Billinge. "De nya verktygen som tillåter oss att undersöka strukturer i nanoskala är väsentliga för denna forskning.

"Sådana studier av komplexa material på nanoskala har nyckeln till många av de transformativa tekniska genombrott vi försöker lösa problem inom energi, hälsa, och miljön."