Tento diagram ukazuje, jak vědci elektrické energie existuje ve vzorku Fe3Ga.

tenký generátor na bázi železa používá odpadní teplo k zajištění malého množství energie.

vědci našli způsob, jak přeměnit tepelnou energii na elektřinu s netoxickým materiálem. Materiál je většinou železo, které je vzhledem k jeho relativní hojnosti extrémně levné. Generátor založený na tomto materiálu by mohl napájet malá zařízení, jako jsou vzdálené senzory nebo nositelná zařízení. Materiál může být tenký, takže by mohl být tvarován do různých forem.

neexistuje nic jako oběd zdarma nebo energie zdarma. Pokud jsou však vaše energetické nároky dostatečně nízké, řekněme například v případě malého senzoru nějakého druhu, pak existuje způsob, jak využít tepelnou energii k napájení bez vodičů nebo baterií. Výzkumný pracovník Akito Sakai a členové skupiny se od své laboratoři na University of Tokyo Institute for Solid State Fyziky a Katedry Fyziky, pod vedením Profesora Satoru Nakatsuji, a z Katedry Aplikované Fyziky, pod vedením Profesora Ryotaro Arita, podnikly kroky směrem k tomuto cíli s jejich inovativní žehlička na bázi termoelektrického materiálu.

Termoelektrické zařízení založené na anomální Nernstův efekt (vlevo) a Seebeck efekt (vpravo). (V) představuje směr proudu, (T) teplotní gradient a (M) magnetické pole. Kredit: © 2020 Sakai et al

„zatím se veškerá studie o termoelektrické výrobě zaměřila na zavedený, ale omezený efekt Seebeck,“ řekl Nakatsuji. „Naproti tomu jsme se zaměřili na relativně méně známý jev zvaný anomální Nernstův efekt (ANE).“

Ane vytváří napětí kolmé ke směru teplotního gradientu po povrchu vhodného materiálu. Tento jev by mohl pomoci zjednodušit konstrukci termoelektrických generátorů a zvýšit jejich účinnost přeměny, pokud budou snadněji dostupné správné materiály.

diagram ukázat uzlové webové struktury odpovědné za anomální Nernstův efekt. Credit: © 2020 Sakai et al

„udělali Jsme materiál, který je 75 procent železa a 25 procent hliníku (Fe3Al) nebo gallium (Fe3Ga) proces se nazývá doping,“ řekl, Sakai. „To výrazně posílilo ANE. Viděli jsme dvacetinásobný skok v napětí ve srovnání s nedokončenými vzorky, což bylo vzrušující vidět.“

To není poprvé, kdy tým prokázal, ANE, ale předchozí experimenty použité materiály méně dostupné a dražší, než železné. Přitažlivost tohoto zařízení je částečně jeho nízkonákladové a netoxické složky, ale také skutečnost, že může být vyroben ve formě tenkého filmu, takže může být tvarován tak, aby vyhovoval různým aplikacím.

„tenké a pružné struktury, které nyní můžeme vytvořit, by mohly sklízet energii efektivněji než generátory založené na efektu Seebeck,“ vysvětlil Sakai. „Doufám, že náš objev může vést k termoelektrickým technologiím k napájení nositelných zařízení, dálkových senzorů na nepřístupných místech, kde jsou baterie nepraktické, a další.“

předtím, Než nedávné době tento druh vývoje v oblasti materiálových věd by hlavně přijít o z opakovaných iterací a zpřesnění v pokusech, které byly časově náročné a drahé. Tým se však do značné míry spoléhal na výpočetní metody pro numerické výpočty, které účinně zkracují čas mezi počáteční myšlenkou a důkazem úspěchu.

„Numerické výpočty značně přispěly k našemu objevu, například, vysokorychlostní automatické výpočty nám pomohla najít vhodné materiály k testování,“ řekl Nakatsuji. „A první principy, výpočty založené na kvantové mechanice zkratka proces analýzy elektronických struktur nazýváme uzlové weby, které jsou zásadní pro naše experimenty.“

„až dosud byl tento druh numerického výpočtu neúměrně obtížný,“ řekl Arita. „Doufáme tedy, že nejen naše materiály, ale i naše výpočetní techniky mohou být užitečnými nástroji i pro ostatní. Všichni chceme jednoho dne vidět zařízení založená na našem objevu.“

Reference: „Iron-based binární feromagnetika pro příčné termoelektrické konverze“ Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Wang Yangming, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Třtiny, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita a Satoru Nakatsuji, 27. dubna 2020, příroda.
DOI: 10.1038/s41586-020-2230-z

Tato práce je částečně podporována HŘEBEN (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japan Science and Technology Agency, Granty-v-Pomůcky pro Vědecký Výzkum v Inovativních Oblastech (JP15H05882 a JP15H05883) od Ministerstva Školství, Kultury, Sportu, Vědy a Technologie Japonska, a Granty-v-Pomoc pro Vědecký Výzkum (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) od Japonské Společnosti pro Podporu Vědy (JSP). Práce pro první-zásady výpočtu byla podporována z části JSP Grant-v-Pomoc pro Vědecký Výzkum v Inovativních Oblastech (JP18H04481 a JP19H05825) a MEXT jako sociální a vědeckou prioritou problému (Vytvoření nové funkční zařízení a vysoce výkonné materiály na podporu příští generace průmyslu) bude řešena pomocí post-K počítači (hp180206 a hp190169).