Om du någonsin har åkt en sväng i en lyxbil och känt din rygg värmas eller kylas av ett sätesbaserat klimatkontrollsystem, då har du förmodligen upplevt fördelarna med en klass av material som kallas termoelektrik. Termoelektriska material omvandlar värme till elektricitet, och vice versa, och de har många fördelar jämfört med mer traditionella värme- och kylsystem.

Nyligen, Forskare har observerat att prestandan hos vissa termoelektriska material kan förbättras genom att kombinera olika fasta faser - mer än ett material blandat som fett- och köttklumparna i en skiva salami. Observationerna erbjuder den lockande möjligheten att avsevärt öka termoelektrikens energieffektivitet, men forskarna saknar fortfarande verktygen för att helt förstå hur bulkegenskaperna uppstår ur kombinationer av fasta faser.

Nu har ett forskarlag baserat vid California Institute of Technology (Caltech) utvecklat ett nytt sätt att analysera de elektriska egenskaperna hos termoelektrik som har två eller flera fasta faser. Den nya tekniken kan hjälpa forskare att bättre förstå flerfas termoelektriska egenskaper – och ge tips om hur man designar nya material för att få de bästa egenskaperna.

Teamet beskriver sin nya teknik i en artikel publicerad i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

En gammal teori gör 180

Eftersom det ibland är svårt att separat tillverka de rena komponenterna som utgör flerfasmaterial, Forskare kan inte alltid mäta de rena fasegenskaperna direkt. Caltech-teamet övervann denna utmaning genom att utveckla ett sätt att beräkna de elektriska egenskaperna för enskilda faser samtidigt som de bara experimenterade direkt med kompositen.

"Det är som att du har gjort chokladkakor, och du vill veta hur chokladbitarna och smeten smakar av sig själva, men du kan inte, eftersom varje tugga du tar har både chokladbitar och smet, sa Jeff Snyder, en forskare på Caltech som är specialiserad på termoelektriska material och enheter.

För att separera "chipsen" och "smeten" utan att avbaka kakan, Snyder och hans kollegor övergick till en decennier gammal teori, kallas effektiv mediumteori, och de gav det en ny twist.

"Teorin om effektiv medium är ganska gammal, sa Tristan Day, en doktorand i Snyders Caltech-laboratorium och första författare på APL-papperet. Teorin används traditionellt för att förutsäga egenskaperna hos en bulkkomposit baserat på egenskaperna hos de enskilda faserna. "Det som är nytt med det vi gjorde är att vi tog en komposit, och sedan backade ut egenskaperna för varje ingående fas, " sa Dag.

Nyckeln till att få omkastningen att fungera ligger i det olika sättet att varje del av ett sammansatt termoelektriskt material reagerar på ett magnetfält. Genom att mäta vissa elektriska egenskaper över en rad olika magnetiska fältstyrkor, forskarna kunde reta isär påverkan från de två olika faserna.

Teamet testade sin metod på den brett studerade termoelektriska Cu1.97 Ag0.03Se, som består av en huvudkristallstruktur av Cu2Se och en föroreningsfas med kristallstrukturen av CuAgSe.

Framtidens temperaturkontroll?

Termoelektriska material används för närvarande i många nischapplikationer, inklusive luftkonditionerade bilbarnstolar, vinkylare, och medicinska kylskåp som används för att lagra temperaturkänsliga läkemedel.

"De definitiva fördelarna med att använda termoelektrik är att det inte finns några rörliga delar i kylmekanismen, och du behöver inte ha samma temperaturfluktuationer som är typiska för ett kompressorbaserat kylskåp som slås på varje halvtimme, skramlar lite och stängs sedan av, sa Snyder.

En av nackdelarna med de termoelektriska kylsystemen, dock, är deras energiförbrukning.

Om det används på samma sätt som ett kompressorbaserat kylsystem, de flesta kommersiella termoelektriker skulle kräva ungefär 3 gånger mer energi för att leverera samma kyleffekt. Teoretisk analys tyder på att termoelektrikens energieffektivitet skulle kunna förbättras avsevärt om man hittade rätt materialkombinationer och strukturer, och detta är ett område där Synder och hans kollegors nya beräkningsmetoder kan hjälpa.

Många av prestandafördelarna med flerfas termoelektrik kan komma från kvanteffekter som genereras av strukturer i mikro- och nanoskala. Caltech-forskarnas beräkningar gör klassiska antaganden, men Snyder noterar att avvikelser mellan beräkningarna och observerade egenskaper kan bekräfta effekter på nanoskala.

Snyder påpekar också att även om termoelektrik kan vara mindre energieffektiv än kompressorer, deras ringa storlek och mångsidighet gör att de kan användas på smartare sätt för att minska energiförbrukningen. Till exempel, termoelektriska värmare eller kylare kan placeras i strategiska områden runt en bil, såsom säte och ratt. De termoelektriska systemen skulle skapa en känsla av värme eller svalka för föraren utan att förbruka energin för att ändra temperaturen i hela hytten.

"Jag vet inte om dig, men när jag är obekväm i en bil är det för att jag sitter på en varm stol och min baksida är varm, sade Snyder. I princip, 100 watt kylning på en bilbarnstol skulle kunna ersätta 1000 watt i kupén."

I sista hand, teamet skulle vilja använda sin nya kunskap om termoelektrik för att skräddarsy "smarta" material med rätt egenskaper för en viss applikation.

"Vi har väldigt roligt eftersom vi ser oss själva som materialingenjörer med det periodiska systemet och mikrostrukturer som våra lekplatser, " sa Snyder.