Материалы, которые можно использовать для термоэлектрических устройств - те, которые превращают разницу температур в электрическое напряжение, - известны уже несколько десятилетий. Но до сих пор не было хорошего объяснения тому, почему только несколько материалов хорошо подходят для этих приложений, а большинство других - нет. Теперь исследователи в Массачусетском технологическом институте и в других местах говорят, что они, наконец, нашли теоретическое объяснение различий, которые могут привести к открытию новых, улучшенных термоэлектрических материалов.
Выводы - аспирант Массачусетского технологического института Сангёп Ли; Ган Чен, профессор энергетики имени Карла Ричарда Содерберга; и еще четыре - сообщается на этой неделе в журнале Nature Communications.
Для термоэлектрических применений, объясняет Чен, «важно найти материал с низкой теплопроводностью», поскольку термоэлектрики работают, поддерживая разницу температур от одной стороны устройства к другой. Если материал хорошо проводит тепло, то тепло быстро переходит с горячей стороны на холодную, что снижает эффективность преобразования тепла в электричество. Но предсказать, какие материалы имеют низкую проводимость, то есть те, которые являются хорошими теплоизоляторами, оказалось трудно.
Например, некоторые соединения, которые являются хорошими изоляторами, состоят из элементов, подобных тем, которые содержатся в других соединениях, которые вообще не являются хорошими изоляторами. «Почему, - недоумевал Чен, - у одного материала низкая теплопроводность, а у другого, очень похожего, нет?»
Решение головоломки оказалось результатом работы в других областях, в том числе исследований, направленных на изучение другого класса, называемого материалами с фазовым переходом. Они изучаются как потенциальная основа для компьютерных запоминающих устройств, которые сохранят информацию даже при отключении питания. Материалы с фазовым переходом меняют упорядоченную кристаллическую структуру на неупорядоченную в ответ на изменение температуры; затем их можно снова переключить с другим изменением температуры.
Анализ материалов с фазовым переходом показал, что они работают из-за особого вида химической связи, называемой резонансной связью - типа связи, при которой электроны перебрасываются туда-сюда между несколькими соседними атомами. По словам Ли, хотя влияние резонансных связей на электрические и оптические свойства изучалось, никто ранее не исследовал их влияние на тепловые свойства.
«Между людьми, занимающимися исследованиями фазового перехода, и теми, кто занимается термоэлектрическими исследованиями, мало общения, - говорит Ли. Междисциплинарные встречи в Массачусетском технологическом институте помогли заложить основу для этого исследования, говорит он: «Это пример того, как общение между людьми с разным опытом может открыть новые возможности и улучшить понимание."
Оказывается, "переворачивание" электронов в резонансной связи приводит к дальнодействующим взаимодействиям между их атомами, говорит Чен, что приводит к низкой теплопроводности материала.
Используя расчеты из первых принципов для объяснения такого поведения резонансной связи, Ли смог продемонстрировать, что этот эффект может объяснить известные расхождения между подобными материалами с низкой и высокой теплопроводностью.
"Мы нашли несколько общих правил, которые можно использовать для объяснения других материалов", - говорит Ли.
Это может привести к открытию новых видов материалов с очень низкой теплопроводностью.
Это, однако, лишь «одна часть головоломки», говорит Чен: чтобы быть полезным для термоэлектрических устройств, материал должен сочетать низкую теплопроводность с высокой электропроводностью. По его словам, выяснение того, какие материалы обладают такой комбинацией характеристик, потребует дальнейших исследований.