energia diszperzió ez az ábra azt mutatja a kutatóknak, hogy az elektromos energia létezik a Fe3Ga mintájában. Hitel: © 2020 Sakai et al

egy vékony, vas alapú generátor hulladékhőt használ, hogy kis mennyiségű energiát biztosítson.

A kutatók megtalálták a módját, hogy a hőenergiát nem mérgező anyaggal villamos energiává alakítsák át. Az anyag többnyire vas, ami rendkívül olcsó, tekintettel a relatív bőség. Az ezen anyagon alapuló generátor kis eszközöket, például távoli érzékelőket vagy Hordható eszközöket képes táplálni. Az anyag vékony lehet, így különböző formákba alakítható.

nincs olyan dolog, mint egy ingyenes ebéd, vagy szabad energia. De ha az energiaigénye elég alacsony, mondjuk például egy kis érzékelő esetében, akkor van egy módja annak, hogy hőenergiát használjunk vezetékek vagy akkumulátorok nélkül. Akito Sakai kutató és a Tokiói Egyetem szilárdtest-fizikai és fizikai Tanszékének Laboratóriumának munkatársai Satoru Nakatsuji professzor vezetésével, valamint a Ryotaro Arita professzor által vezetett alkalmazott fizika tanszék innovatív vas alapú termoelektromos anyagával lépéseket tettek e cél felé.

termoelektromos eszközök az anomális Nernst-effektus (balra) és a Seebeck-effektus (jobbra) alapján. (V) az áram irányát, (T) a hőmérséklet-gradienst és (M) a mágneses mezőt jelöli. Hitel: © 2020 Sakai et al

“eddig a termoelektromos generációval kapcsolatos összes tanulmány a megállapított, de korlátozott Seebeck hatásra összpontosított” – mondta Nakatsuji. “Ezzel szemben egy viszonylag kevésbé ismert jelenségre, az anomális Nernst-effektusra (ANE) összpontosítottunk.”

az ANE a megfelelő anyag felületén egy hőmérséklet-gradiens irányára merőleges feszültséget hoz létre. A jelenség elősegítheti a termoelektromos generátorok tervezésének egyszerűsítését, és fokozhatja azok átalakítási hatékonyságát, ha a megfelelő anyagok könnyebben hozzáférhetővé válnak.

a diagram az anomális Nernst-effektusért felelős csomóponti webstruktúra megjelenítésére. Hitel: © 2020 Sakai et al

“olyan anyagot készítettünk, amely 75% vas és 25% alumínium (Fe3Al) vagy gallium (Fe3Ga) egy doppingnak nevezett eljárással” – mondta Sakai. “Ez jelentősen növelte az ANE-t. Láttuk, hogy a feszültség kétszeres ugrása a nem rögzített mintákhoz képest, ami izgalmas volt látni.”

nem ez az első alkalom, hogy a csapat bemutatta az ANE-t, de a korábbi kísérletek kevésbé könnyen hozzáférhető és drágább anyagokat használtak, mint a vas. Ennek a készüléknek a vonzereje részben az alacsony költségű, nem mérgező alkotóelemei, de az is, hogy vékonyfilmes formában is elkészíthető, így különböző alkalmazásokhoz formázható.

“a vékony és rugalmas szerkezetek, amelyeket most létrehozhatunk, hatékonyabban nyerhetnek energiát, mint a Seebeck-effektuson alapuló generátorok” – magyarázta Sakai. “Remélem, hogy felfedezésünk termoelektromos technológiákhoz vezethet a hordható eszközök, a távoli érzékelők számára elérhetetlen helyeken,ahol az akkumulátorok nem kivitelezhetők, stb.”

az utóbbi idők előtt az anyagtudományban ez a fajta fejlődés elsősorban a kísérletek ismétlődő iterációiból és finomításaiból származik, amelyek mind időigényesek, mind drágák voltak. De a csapat erősen támaszkodott számítási módszerek numerikus számítások hatékonyan csökkenti az idő között a kezdeti ötlet és a siker bizonyítéka.

“A numerikus számítások nagyban hozzájárultak felfedezésünkhöz; például a nagysebességű automatikus számítások segítettek megtalálni a megfelelő anyagokat a teszteléshez” – mondta Nakatsuji. “A kvantummechanikán alapuló első alapelvek a kvantummechanikán alapuló számítások lerövidítik az elektronikus struktúrák elemzésének folyamatát, amelyeket csomóponti szövedékeknek nevezünk, amelyek kulcsfontosságúak a kísérleteinkhez.”

“eddig ez a fajta numerikus számítás meglehetősen nehéz volt” – mondta Arita. “Tehát reméljük, hogy nemcsak anyagaink, hanem számítási technikáink is hasznos eszközök lehetnek mások számára is. Mindannyian szívesen egy nap látni eszközök alapján a felfedezés.”

hivatkozás: 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 és Satoru Nakatsuji, 2020.április 27., természet.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

ezt a munkát részben támogatja a CREST (JPMJCR18T3), a Presto (JPMJPR15N5), a Japan Science and Technology Agency, a japán oktatási, kulturális, sport -, tudományos, tudományos és Technológiai Minisztérium (Jp15h05882 és JP15H05883), valamint a japán Oktatási, Kulturális, Sport -, Tudományos és Technológiai Minisztérium (Jp16h02209, jp16h06345, jp19h00650) a japán tudományos társaságtól (JSPS). Az első alapelvek kiszámítására irányuló munkát részben a JSP-támogatás az innovatív területek Tudományos kutatásához (JP18H04481 és JP19H05825), valamint a MEXT mint társadalmi és tudományos prioritási kérdés (új funkcionális eszközök és nagy teljesítményű anyagok létrehozása a következő generációs iparágak támogatására) támogatta, amelyeket a K utáni számítógép (hp180206 és hp190169) használatával kell kezelni.