dette diagram viser forskere, hvordan elektrisk energi findes i en prøve af Fe3Ga. Kredit: Krot 2020 Sakai et al

en tynd, jernbaseret generator bruger spildvarme til at levere små mængder strøm.

forskere har fundet en måde at omdanne varmeenergi til elektricitet med et ikke-giftigt materiale. Materialet er for det meste jern, hvilket er ekstremt billigt i betragtning af dets relative overflod. En generator baseret på dette materiale kunne drive små enheder såsom fjernsensorer eller bærbare enheder. Materialet kan være tyndt, så det kan formes til forskellige former.

der er ikke sådan noget som en gratis frokost eller fri energi. Men hvis dine energibehov er lave nok, siger for eksempel i tilfælde af en lille sensor af en slags, så er der en måde at udnytte varmeenergi til at levere din strøm uden ledninger eller batterier. Forskningsassistent Akito Sakai og gruppemedlemmer fra hans laboratorium ved University of Tokyo Institute for Solid State Physics og Institut for Fysik, ledet af Professor Satoru Nakatsuji, og fra Institut for Anvendt Fysik, ledet af Professor Ryotaro Arita, har taget skridt mod dette mål med deres innovative jernbaserede termoelektriske materiale.

termoelektriske enheder baseret på den anomale Nernst-effekt (venstre) og Seebeck-effekten (højre). (V) repræsenterer strømretningen, (T) temperaturgradienten og (M) magnetfeltet. Kredit: krit 2020 Sakai et al

“indtil videre har hele undersøgelsen om termoelektrisk produktion fokuseret på den etablerede, men begrænsede Seebeck-effekt,” sagde Nakatsuji. “I modsætning hertil fokuserede vi på et relativt mindre velkendt fænomen kaldet den anomale Nernst-effekt (ANE).”

ANE producerer en spænding vinkelret på retningen af en temperaturgradient over overfladen af et egnet materiale. Fænomenet kan hjælpe med at forenkle designet af termoelektriske generatorer og forbedre deres konverteringseffektivitet, hvis de rigtige materialer bliver lettere tilgængelige.

et diagram til at vise nodalbanestrukturen, der er ansvarlig for den anomale Nernst-effekt. Kredit: krit 2020 Sakai et al

“vi lavede et materiale, der er 75 procent jern og 25 procent aluminium (Fe3Al) eller gallium (Fe3Ga) ved en proces kaldet doping,” sagde Sakai. “Dette øgede ANE markant. Vi så et tyvfoldigt spring i spænding sammenlignet med udoperede prøver, hvilket var spændende at se.”

Dette er ikke første gang, holdet har demonstreret ANE, men tidligere eksperimenter brugte materialer, der var mindre tilgængelige og dyrere end jern. Tiltrækningen af denne enhed er dels dens billige og ikke-toksiske bestanddele, men også det faktum, at den kan fremstilles i en tyndfilmform, så den kan støbes, så den passer til forskellige anvendelser.

” de tynde og fleksible strukturer, vi nu kan skabe, kunne høste energi mere effektivt end generatorer baseret på Seebeck-effekten,” forklarede Sakai. “Jeg håber, at vores opdagelse kan føre til termoelektriske teknologier til at drive bærbare enheder, fjernsensorer på utilgængelige steder, hvor batterier er upraktiske og mere.”

før nyere tid ville denne form for udvikling inden for materialevidenskab hovedsageligt komme fra gentagne iterationer og forbedringer i eksperimenter, som både var tidskrævende og dyre. Men holdet stod stærkt på beregningsmetoder til numeriske beregninger, der effektivt reducerede tiden mellem den oprindelige ide og bevis for succes.”numeriske beregninger bidrog meget til vores opdagelse; for eksempel hjalp Højhastighedsautomatiske beregninger os med at finde egnede materialer til test,” sagde Nakatsuji. “Og første principper beregninger baseret på kvantemekanik genvej processen med at analysere elektroniske strukturer, vi kalder nodalbaner, som er afgørende for vores eksperimenter.”

” indtil nu var denne form for numerisk beregning uoverkommeligt vanskelig,” sagde Arita. “Så vi håber, at ikke kun vores materialer, men vores beregningsteknikker også kan være nyttige værktøjer for andre. Vi er alle ivrige efter en dag at se enheder baseret på vores opdagelse.”

Reference: “Jernbaserede binære ferromagneter til tværgående termoelektrisk konvertering” af Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Cane, Daisuke Nishio-Hamane, fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita og Satoru Nakatsuji, 27.April 2020, natur.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-dette arbejde understøttes delvist af CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japans videnskabs-og Teknologiagentur, af tilskud til videnskabelig forskning på Innovative områder (JP15H05882 og JP15H05883) fra Japans ministerium for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og teknologi og af tilskud til videnskabelig forskning (JP16H02209, JP16H06345, jp19h00650) fra det japanske samfund til fremme af videnskab (JSPS). Arbejdet med beregning af førsteprincipperne blev delvist støttet af Jsps-tilskud til videnskabelig forskning på Innovative områder (JP18H04481 og JP19H05825) og af MEKST som et socialt og videnskabeligt prioriteret emne (oprettelse af nye funktionelle enheder og højtydende materialer til støtte for næste generations industrier), der skal håndteres ved hjælp af post-k-computer (hp180206 og hp190169).