Tämä kaavio näyttää tutkijoille, miten sähköenergia esiintyy Fe3Ga-otoksessa. Luotto: © 2020 Sakai et al

ohut, rautapohjainen generaattori käyttää hukkalämpöä tuottaakseen pieniä määriä virtaa.

tutkijat ovat keksineet keinon muuntaa lämpöenergiaa sähköksi myrkyttömällä aineella. Materiaali on enimmäkseen rautaa, joka on suhteellisen runsautensa vuoksi erittäin halpaa. Tähän materiaaliin perustuva generaattori voisi antaa virtaa pienille laitteille, kuten etäantureille tai puettaville laitteille. Materiaali voi olla ohutta, joten sitä voidaan muotoilla erilaisiin muotoihin.

ilmaista lounasta tai ilmaista energiaa ei ole olemassakaan. Mutta jos energiantarve on tarpeeksi alhainen, vaikkapa jos kyseessä on jonkinlainen pieni anturi, niin on olemassa tapa valjastaa lämpöenergia virransyöttöön ilman johtoja tai akkuja. Tutkijatoveri Akito Sakai ja hänen laboratorionsa Tokion yliopiston kiinteän olomuodon fysiikan laitoksella professori Satoru Nakatsujin johdolla ja Teknillisen fysiikan laitokselta professori Ryotaro Aritan johdolla ovat ottaneet askeleita kohti tätä tavoitetta innovatiivisella rautapohjaisella termosähköisellä materiaalillaan.

Thermoelectric devices based on the anomalous Nernst effect (left) and the Seebeck effect (right). (V) kuvaa virran suuntaa, (T) lämpötilagradienttia ja (M) magneettikenttää. Luotto: © 2020 Sakai et al

”toistaiseksi kaikki termosähköisen tuotannon tutkimukset ovat keskittyneet vakiintuneeseen mutta rajalliseen Seebeck-ilmiöön”, Nakatsuji sanoi. ”Sen sijaan keskityimme suhteellisen vähemmän tuttuun ilmiöön nimeltä anomalous Nernst effect (ANE).”

ANE tuottaa sopivan materiaalin pinnalle jännitteen, joka on kohtisuorassa lämpötilagradientin suuntaan. Ilmiö voisi auttaa yksinkertaistamaan lämpösähkögeneraattoreiden suunnittelua ja parantamaan niiden konversiotehokkuutta, jos oikeat materiaalit tulevat helpommin saataville.

kaavio, joka näyttää Nernst-ilmiön aiheuttaneen solmukohtien rakenteen. Luotto: © 2020 Sakai et al

”teimme dopingiksi kutsutulla prosessilla materiaalin, joka on 75-prosenttisesti rautaa ja 25-prosenttisesti alumiinia (Fe3Al) tai galliumia (Fe3Ga)”, Sakai sanoi. ”Tämä lisäsi merkittävästi ANE. Näimme kaksikymppisen jännitehypyn verrattuna kehittymättömiin näytteisiin, mikä oli jännittävää katsottavaa.”

tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun ryhmä on osoittanut ANE: n, mutta aiemmissa kokeissa käytettiin vähemmän saatavilla olevia ja kalliimpia materiaaleja kuin rautaa. Laitteen vetovoima on osittain sen edulliset ja myrkyttömät ainesosat, mutta myös se, että se voidaan tehdä ohutkalvomuodossa niin, että se voidaan muovata erilaisiin sovelluksiin sopivaksi.

”ohuet ja joustavat rakenteet, joita voimme nyt luoda, voisivat kerätä energiaa tehokkaammin kuin generaattorit Seebeck-ilmiön perusteella”, Sakai selitti. ”Toivon, että löytömme voi johtaa lämpösähköisten teknologioiden valtaan puettavat laitteet, kauko-anturit saavuttamattomissa paikoissa, joissa akut ovat epäkäytännöllisiä, ja enemmän.”

ennen viime aikoja tällainen materiaalitieteen kehitys syntyisi lähinnä toistuvista iteraatioista ja hienosäädöistä kokeissa, jotka olivat sekä aikaa vieviä että kalliita. Mutta joukkue tukeutui vahvasti laskennallisia menetelmiä numeeristen laskelmien tehokkaasti vähentää aikaa välillä alkuperäisen idean ja todiste onnistumisesta.

”numeeriset laskelmat edistivät suuresti löytöämme; esimerkiksi Nopeat automaattiset laskelmat auttoivat meitä löytämään sopivia materiaaleja testaamiseen”, Nakatsuji sanoi. ”Ja ensimmäiset periaatteet laskelmat perustuvat kvanttimekaniikkaan oikotie prosessi analysoida elektronisia rakenteita kutsumme solmukohtien webs, jotka ovat ratkaisevia meidän kokeita.”

”tähän asti tällainen numeerinen laskeminen oli kohtuuttoman vaikeaa”, Arita sanoi. ”Toivomme siis, että materiaaliemme lisäksi myös laskennalliset tekniikkamme voivat olla hyödyllisiä työkaluja myös muille. Me kaikki haluamme jonain päivänä nähdä laitteita löytömme perusteella.”

viite: Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Cane, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita ja Satoru Nakatsuji, 27.huhtikuuta 2020, luonto.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

tätä työtä tukevat osittain CREST (JPMJCR18T3), Presto (JPMJPR15N5), Japanin Tiede-ja Teknologiavirasto, Japanin opetus -, kulttuuri -, urheilu -, tiede-ja teknologiaministeriön myöntämät apurahat innovatiivisten alojen tieteelliseen tutkimukseen (Jp15h05882 ja JP15H05883) sekä tieteelliseen tutkimukseen myönnetyt apurahat (JP16H02209, jp16h06345, jp19h00650) Japanin tieteen EDISTÄMISSEURASTA (JSPS). Ensimmäisten periaatteiden laskentatyötä tukivat osittain JSPS: n myöntämä tuki innovatiivisten alojen tieteelliseen tutkimukseen (JP18H04481 ja JP19H05825) ja MEXT: n myöntämä sosiaalinen ja tieteellinen painopistealue (uusien toiminnallisten laitteiden ja suorituskykyisten materiaalien luominen seuraavan sukupolven teollisuudenalojen tukemiseksi), joka on käsiteltävä käyttämällä post-k-tietokonetta (hp180206 ja hp190169).