Isıdan İki Kat Güç: Kristal Deneyiyle Gelen Devrim
Bilim insanları, zıt mekanik özelliklere ancak benzer elektronik özelliklere sahip iki maddeyi karıştırarak termoelektrik malzemelerin (ısıyı elektriğe dönüştürenler) verimliliğini iki katına çıkarmanın akıllıca bir yolunu buldular.
Sonuç, elektriğin serbestçe akmasına izin verirken mikroskobik arayüzlerde ısıyı bloke eden bir hibrittir ve bizi Nesnelerin İnterneti ve ötesinde kullanılan günümüzün altın standart malzemelerine daha ucuz, daha kararlı alternatiflere yaklaştırır.
Nesnelerin İnterneti için Termoelektriklerin Geliştirilmesi
Termoelektrik malzemeler ısıyı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilmekte, bu da onları büyüyen “Nesnelerin İnterneti ”ni oluşturan küçük sensörlere ve cihazlara güç sağlamak için özellikle kullanışlı hale getirmektedir. Bununla birlikte, verimliliklerini artırmak uzun zamandır bir zorluk olmuştur. Performansı artırmak için bu malzemelerin iki şeyi aynı anda yapması gerekiyor: elektrik yüklerinin serbestçe hareket etmesine izin verirken yapılarındaki atomik titreşimler yoluyla ısı akışını engellemek. Şimdiye kadar her ikisini de başarmanın zor olduğu kanıtlanmıştı.
Fabian Garmroudi liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu engelin üstesinden gelen yeni bir tür hibrit malzeme geliştirdi. Çok farklı mekanik özelliklere ancak benzer elektronik özelliklere sahip iki malzemeyi birleştirerek, elektriksel hareketliliği arttırırken ısı iletimini azaltmayı başardılar. Sonuçlar Nature Communications dergisinde yayımlandı.
Malzeme Hibritleri ile İletkenlik Paradoksunu Kırmak
İdeal termoelektrik malzeme, elektriği verimli bir şekilde ileten ancak ısıyı engelleyen bir malzemedir – genellikle el ele gitmeyen iki özellik. Çoğu iyi elektrik iletkeni aynı zamanda ısıyı da iyi iletme eğilimindedir.
“Katı maddelerde ısı hem hareketli yük taşıyıcıları hem de kristal kafesteki atomların titreşimleri ile aktarılır. Termoelektrik malzemelerde, enerji dönüşümüne katkıda bulunmadıkları için esas olarak kafes titreşimleri yoluyla ısı taşınımını bastırmaya çalışıyoruz,” diye açıklıyor doktorasını TU Wien’de tamamlayan ve şu anda Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’nda (ABD) Direktörün Doktora Sonrası Araştırmacısı olarak çalışan ilk yazar Fabian Garmroudi.
Geçtiğimiz birkaç on yıl içinde bilim insanları, bir malzemenin termal iletkenliğini düşürmek için giderek daha gelişmiş yöntemler geliştirdiler. Bu yeni hibrit yaklaşım, performansı daha da ileri götürmek için umut verici bir yol sunuyor.
Mikroskobik Düzeyde İnşa Edilen Hibrit Yapılar
Garmroudi, TU Wien’deki çalışmalarının bir parçası olarak Tsukuba’da (Japonya) tamamladığı araştırma ziyaretini “Lions Ödülü tarafından desteklenerek, Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nde olağanüstü termoelektrik özellikler sergileyen yeni hibrit malzemeler geliştirebildim” diye hatırlıyor.
Özellikle, demir, vanadyum, tantal ve alüminyumdan (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) oluşan bir alaşımın tozu, bizmut ve antimondan (Bi0.9Sb0.1) oluşan bir tozla karıştırıldı ve yüksek basınç ve sıcaklık altında kompakt bir malzeme haline getirildi. Ancak farklı kimyasal ve mekanik özellikleri nedeniyle iki bileşen atomik düzeyde karışmamaktadır. Bunun yerine, BiSb malzemesi tercihen FeVTaAl alaşımının kristalleri arasındaki mikrometre boyutundaki arayüzlerde biriktirilir.
Isıyı Engelleyen Ancak Elektriği Hızlandıran Arayüzler
İki malzemenin kafes yapıları ve dolayısıyla kuantum mekaniksel olarak izin verilen kafes titreşimleri o kadar farklıdır ki termal titreşimler bir kristalden diğerine kolayca aktarılamaz. Bu nedenle ısı transferi ara yüzeylerde güçlü bir şekilde engellenir. Aynı zamanda, benzer elektronik yapı nedeniyle yük taşıyıcılarının hareketi engellenmez ve hatta arayüzler boyunca önemli ölçüde hızlanır. Bunun nedeni, BiSb malzemesinin topolojik yalıtkan faz olarak adlandırılan, iç kısımda yalıtkan olan ancak yüzeyde neredeyse kayıpsız yük taşınımını mümkün kılan özel bir kuantum malzeme sınıfı oluşturmasıdır.
Kuantum Mühendislikli Malzemelerle Verimlilik İki Katına Çıktı
Isı ve yük taşınımının bu hedefli ayrıştırılması, ekibin malzemenin verimliliğini % 100’den fazla artırmasını sağladı. Garmroudi, “Bu bizi bizmut tellür bazlı ticari olarak mevcut bileşiklerle rekabet edebilecek bir termoelektrik malzeme geliştirme hedefimize büyük bir adım daha yaklaştırıyor” diyor. Bu malzeme 1950’lerde geliştirildi ve bugün hala termoelektriklerin altın standardı olarak kabul ediliyor. Yeni hibrit malzemelerin en büyük avantajı, önemli ölçüde daha kararlı ve aynı zamanda daha ucuz olmalarıdır.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Uzay-Zaman Kristali Teknolojisi ile Işık Kontrolünde Yeni Bir Çağa mı Giriyoruz?