Från din varma bil till din varma bärbara dator, varje maskin och enhet i ditt liv slösar mycket energi genom värmeförlust. Men termoelektriska enheter, som omvandlar värme till el och vice versa, kan utnyttja den bortkastade värmen, och möjligen tillhandahålla den gröna tekniska energieffektiviteten som behövs för en hållbar framtid.

Nu, en ny studie visar hur porösa ämnen kan fungera som termoelektriska material – vilket pekar på vägen för konstruktion av användningen av sådana material i framtidens termoelektriska enheter.

Cirka 70 procent av all energi som genereras i världen går till spillo som värme, sa Dimitris Niarchos från National Center for Scientific Research Demokritos i Aten, Grekland. Han och Roland Tarkhanyan, även från NCSR Demokritos, har publicerat sin analys i tidskriften APL-material , från AIP Publishing.

För att skapa den teknik som behövs för att fånga denna värme, forskare runt om i världen har försökt konstruera effektivare termoelektriska material. Ett lovande material är ett som är fyllt med små hål som varierar i storlek från cirka en mikron (10-6 meter) till cirka en nanometer (10) ^-9 meter). "Porös termoelektrik kan spela en betydande roll för att förbättra termoelektriken som ett lönsamt alternativ för att skörda bortkastad värme, " sa Niarchos.

Värme färdas genom ett material via fononer, kvantiserade vibrationsenheter som fungerar som värmebärande partiklar. När en fonon springer in i ett hål, det sprids och förlorar energi. Fononer kan alltså inte transportera värme över ett poröst material lika effektivt, ger materialet en låg värmeledningsförmåga, vilket visar sig öka effektiviteten i värme-till-el-omvandlingen. Ju porösare materialet är, ju lägre värmeledningsförmåga, och desto bättre är det som termoelektriskt material.

Än så länge, dock, forskare har ännu inte systematiskt modellerat hur porösa material upprätthåller låg värmeledningsförmåga, sa Niarchos. Så han och Tarkhanyan studerade de termiska egenskaperna hos fyra enkla modellstrukturer av porösa mikronanomaterial. Denna analys, Niarchos säger, ger en grov ritning för hur man designar sådana material för termoelektriska enheter.

Övergripande, forskarna fann att ju mindre porerna är och desto närmare de packas ihop, desto lägre värmeledningsförmåga. Deras beräkningar matchar data från andra experiment väl, sa Niarchos. De visar också att i princip, mikro-nano porösa material kan vara flera gånger bättre på att omvandla värme till elektricitet än om materialet inte hade några porer.

Den första modellen beskriver ett material fyllt med hål av slumpmässiga storlekar, allt från mikron till nanometer i diameter. Det andra är ett med flera lager där varje lager innehåller porer av olika storleksskala, vilket ger den en annan porositet. Den tredje är ett material som är sammansatt av ett tredimensionellt kubiskt gitter av identiska hål. Det fjärde är ett annat flerskiktssystem. Men i det här fallet, varje lager innehåller ett kubiskt gitter av identiska hål. Storleken på hålen är olika i varje lager.

Enligt analysen, den första och fjärde modellen har lägre värmeledningsförmåga än den andra. Den tredje modellen verkar vara den bästa, eftersom den också har en lägre värmeledningsförmåga än den fjärde modellen.

Förutom den första modellen, dock, alla modeller är inte praktiska eftersom de representerar idealiserade situationer med ett perfekt arrangemang av porer, sa Niarchos. Det är också praktiskt taget omöjligt att skapa exakt lika stora porer. Den första modellen är alltså den mest realistiska.

Fortfarande, han sa, alla distinkta modeller visar vikten av porositet i termoelektriska material. Byggd på enkla och allmänna analytiska formler, modellerna möjliggör en mycket snabb och exakt beräkning av den effektiva gittervärmekonduktiviteten hos ett poröst material och systematisk analys av sådana material.