Mümkün mü? Verimli termoelektrik malzemeler aramak için yeni bir ısı iletimi teorisi tanıtın!
Araştırmacılar, ısı transferini çok genel bir şekilde tanımlayabilen yeni bir mikroskobik teori geliştirdiler.Aynı zamanda kristaller veya cam gibi sıralı veya düzensiz malzemeler ve aradaki her şey için de geçerli. Bu sadece önemli bir ilk soru değil (şimdiye kadar hiçbir taşıma denklemi her iki sistemi aynı anda açıklayamaz), aynı zamanda şaşırtıcı bir şekilde, ısının atomlar gibi değil mekanik yollarla kuantum tünel oluşturabileceğini de gösteriyor. Titreşim böyle yayılır. Yeni denklem aynı zamanda termoelektrik malzemelerin performansını ilk kez doğru bir şekilde tahmin ediyor. Bu malzeme ultra düşük, cam benzeri ısıl iletkenliğe sahiptir ve enerji araştırmalarında oldukça değerlidir.
Isıyı elektriğe dönüştürebilirler veya pompa ve zararlı çevre gazları olmadan elektrikle soğutulabilirler. Kristaller ve cam ısıyı temelde farklı bir şekilde aktarır.Kristallerdeki atomların düzenli dizilişi, ısının titreşim dalgalarının yayılması yoluyla aktarılması anlamına gelir - örneğin, bu bilgisayarların silikon çiplerinde olur. Atom ölçeğinde düzensiz bir şekilde düzenlenmiş camda, ısının transferi rastgele titreşim sıçramaları ile çok daha yavaştır. 20. yüzyıl fizikçisi Rudolf Peierls, ısı transferini tanımlamanın temelini attı.Boltzmann'ın en son taşıma teorisini kristallere uyguladı ve ünlü fonon taşınmasını türetti. Denklem - O zamandan beri mikroskobik ısı transferi teorisinin bel kemiği olmuştur.
Yıllar sonra, moleküler dinamik simülasyon alanının hızlı gelişmesiyle desteklenen Philip Allen ve Joseph Feldman, gözlükler için bir denklem buldular. Şimdi bilim adamları, bu iki malzemeyi ve aralarındaki her şeyi tanımlayabilecek daha genel bir formülün nasıl türetileceğini buldular. EPFL doktora öğrencisi Michele Simoncelli ve Malzeme Enstitüsü profesörü Nicola Marzari (Nicola Marzari) ve Roma Üniversitesi'nden meslektaşı Francesco Mauri (Francesco Mauri) "Nature Physics" dergisinde yayınlanan araştırma makaleleri.
- (Bokeyuan-Resim) Isı iletimi, fonon dalgası paket granüler difüzyonunun (CsPbBr3) ve dalgalı tünellemenin (mavi dalga) gerçek üç boyutlu fonon dağılımından gelir. Fonon dalları arasındaki boşluk (yüksekliği taşınan ısı miktarını belirleyebilen Lorentz şeklindeki sırtlar), çizgi genişliğine (sırtın genişliğiyle orantılı) eşit olduğunda tüneller ortaya çıkar. Fotoğraf: Michele Simoncelli, EPFL
Araştırma makalesinde, enerji tüketen kuantum sistemlerinin genel teorisinden mikroskobik denklemler türettiler. Pells'in ısı iletiminde önemli bir bileşeni terk ettiği ortaya çıktı.Isı iletiminde, titreşim uyarımı bir kuantum gibi bir durumdan diğerine tünel açabilir. Mükemmel kristallerde bu tünelleme etkisi ihmal edilebilir olsa da, bir sistem düzensiz hale geldiğinde daha alakalı hale gelirler ve camda Allen-Feldman formalizmini üretirler. Ancak bu yeni denklem daha geneldir ve bilinen tüm titreşim uyarılarının ortaya çıkması ve bir arada bulunması dahil olmak üzere herhangi bir malzemeye aynı doğrulukla uygulanabilir. En önemlisi, bu yeni ısı iletimi teorisi kristal ve camsı malzemeleri kapsar.
Bu malzemeler önemli teknik öneme sahiptir çünkü çok iyi termoelektrik malzemeler olabilirler, yani ısıyı elektriğe veya elektriği soğutmaya dönüştürebilirler. Termoelektrik malzemeler enerji uygulamalarında önemlidir çünkü elektrik üretmek için endüstriyel proseslerden, araba ve kamyon motorlarından veya güneşten gelen mevcut ısıyı kullanırlar. Daha verimli termoelektrik malzemelere (mevcut standardın yaklaşık üç katı) sahip olmak, tüm soğutma ve iklimlendirme teknolojilerimizi tamamen değiştirecektir, çünkü termoelektrik malzemeler, elektrik üretmek için ısı kullanmak yerine soğutma için elektriği kullanabilir. Albert Einstein'ın buzdolabında 8 yıl çalıştığını belirtmekte fayda var.
Einstein'ın zekasının zirvesinde, o ve öğrencisi Leo Szilard, tıpkı termoelektrik bir buzdolabında olduğu gibi, hareketli parçası olmayan bir buzdolabı için patent başvurusunda bulundu. Bununla birlikte, böyle bir cihazın üretimi, ısının nasıl ve nasıl yürütüldüğünün tam olarak anlaşılmasını gerektirir. Şimdiye kadar teorilerin ve modellerin başarısı sınırlı kaldı. İyi bir termoelektrikliğin bir elektrik iletkeni olması gerekir, bu nedenle oldukça kristaldir, ancak aynı zamanda bir termal yalıtkandır, bu nedenle oldukça şeffaftır.Bir elektrik potansiyeli oluşturmak için bir cihazın iki farklı tarafında pozitif ve negatif yükleri taşıyıp yoğunlaştırması gerekir.
Bununla birlikte, mevcut ısı iletim denklemlerine göre termoelektrikleri kristal veya cam olarak işlemeye çalışmak çok büyük hatalara neden olacaktır, bu nedenle verimliliklerini tahmin etmek zordur. Makalede ana hatları verilen yeni teori, daha doğru termal iletkenlik tahminleri ve elektriksel iletkenlik hakkındaki verilerle birlikte, bilim adamlarının termoelektrik "değer haritalarını" hesaplamalarına ve bunların verimliliklerini tahmin etmelerine olanak tanıyacak. Bu önemli bilgilerle donanmış olan araştırmacılar, önce potansiyel malzemeleri taramak ve bu yeni teknolojilerin gelişimini hızlandırmak için hesaplama tekniklerini kullanabilecekler.
Brocade | Araştırma / Gönderen: Ulusal Araştırma Yeterlilik Merkezi (NCCR) MARVEL
Referans dergisi "Natural Physics"
DOI: 10.1038 / s41567-019-0520-x
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
