熱は私たちの周りどこにでもあります。 車のエンジン、コンピューターのプロセッサー、工業用パイプなどにも使われています。そしてそのほとんどは、環境に拡散され、無駄にされてしまいます。そこには 熱電 長い間、この失われたエネルギーを捕捉すると約束されてきたが、熱を伝導せずに電気を伝導するにはどうすればよいかという根本的なジレンマによって常に阻まれてきた。
現在、 ファビアン・ガルムルーディ ロスアラモス国立研究所の研究者は、驚くほど効果的な答えを導き出しました。 2つを組み合わせる 材料 格子構造は互換性がないが、電子特性は互換性があり、研究チームは材料物理学の慣習に反するハイブリッドを作成した。 熱電効率が2倍になります。 として？一緒に見てみましょう。
矛盾する特性の課題
効果的な熱電材料（熱を電気エネルギーに変換する固体半導体）は、熱伝達を最小限に抑えながら効率的に電気を伝導する必要があります。前述のように、これは特別な課題を提起します。電気をよく伝導する材料は通常、熱もよく伝導します。
どのように説明していない ガルムルーディ「固体では、熱は移動する電荷キャリアと結晶格子内の原子の振動の両方によって伝達されます。」これは何十年にもわたって研究者を悩ませてきた問題であり、この有望な技術の実用化を制限してきました。
熱電材料では、エネルギー変換には寄与しない格子振動による熱輸送を主に抑制することを目指しています。
この洞察により、チームは全く新しいアプローチへと導かれました。 プレスリリースで発表された. 単一の素材を変更するのではなく、相補的な特性を持つ 2 つの素材を組み合わせてみてはいかがでしょうか。
ゲームのルールを変える熱電の直感
このイノベーションは、 ガルムルーディ つくば市でライオンズ賞の支援を受け、物質・材料研究機構 彼の仕事の一環としてウィーン工科大学.
彼は、高熱と圧力の下で、2つの異なる粉末を融合させた。1つは鉄ベースの合金から作られ、もう1つは バナジウム, タンタル e アルミ （Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅）、そしてもう1つは ビスマス-アンチモン （Bi₀.₉Sb₀.₁）。結果？本当に有望な熱電能を持つコンパクトなハイブリッド材料: 最もエレガントなソリューションは、今回も予想外の組み合わせから生まれます。
このアプローチが特に優れているのは、2つの物質が原子レベルで融合しないという点です。化学的特性と機械的特性が異なるため、ビスマス-アンチモン成分は FeVTaAl 合金の結晶間のマイクロメートルサイズの界面に選択的に蓄積されます。 簡単に言うと？ 組み合わせることができない、まったく異なるタイプの LEGO ブロックが 2 つあると想像してください。圧力と熱を加えて結合させようとすると、完全に混ざって融合するのではなく、別々のままになります。ビスマス-アンチモン（一方の構成要素）は鉄合金（もう一方の構成要素）と混ざらず、鉄合金の結晶間の空間に正確に存在し、微細な「境界領域」を形成します。
まさにこれらの境界領域で魔法が起こります。電子は 1 つの材料から別の材料に簡単に移動できます (良好な電気伝導性) が、熱振動はブロックされます (不良な熱伝導性)。これは、電気は通すが熱は遮断するフィルターのようなもので、まさに記録破りの熱電効率に必要なものです。
50年代の基準を超える
「この発見により、テルル化ビスマスをベースにした市販の化合物と競合できる熱電材料を開発するという我々の目標に大きく近づいた」と彼は結論付けている。 ガルムルーディ。 「熱と電荷輸送の分離を狙ったことで、チームは材料の効率を高めることができました。 100パーセント以上に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
50 年代に導入されたテルル化ビスマスは、今でも熱電材料のベンチマークと考えられています。しかし、新しいハイブリッド材料には重要な利点があります。それは、安定性が大幅に向上し、コスト効率が優れていることです。
この画期的な進歩により、モノのインターネット、特にマイクロセンサーやその他の小型電子機器の駆動方法が一変する可能性があります。工場や車両、さらには人体から発生する廃熱を収集し、使用可能な電気エネルギーに変換できる未来を想像してみてください。
材料物理学で可能だと考えられていた限界に挑戦するこの先駆的な研究のおかげで、それが現実の可能性になりました。
