この図は、Fe3Gaのサンプルに電気エネルギーがどのように存在するかを研究者に示しています。 ©2020Sakai et al

薄い鉄ベースの発電機は、廃熱を使用して少量の電力を供給します。研究者たちは、無毒な材料で熱エネルギーを電気に変換する方法を発見しました。

研究者は、熱エネルギーを電気に変換する方法を発見しました。

材料は、その相対的な豊富さを考えると非常に安価である主に鉄です。 この材料に基づく発電機は遠隔センサーまたは身につけられる装置のような小さい装置に動力を与えることができます。 材料は薄い場合もあります従ってさまざまな形態に形づけることができます。無料の昼食、または自由エネルギーのようなものはありません。

しかし、あなたのエネルギー需要が十分に低い場合、例えばある種の小さなセンサーの場合、熱エネルギーを利用して電線や電池なしで電力を供給する方法 中辻悟教授率いる東京大学固体物理学研究所-物理学科の酒井明人研究員と、有田亮太郎教授率いる応用物理学科のグループメンバーは、革新的な鉄系熱電材料でこの目標に向かって取り組んできました。

異常なネルンスト効果（左）とゼーベック効果（右）に基づく熱電デバイス。 （V）は電流の方向、（T）は温度勾配、（M）は磁場を表します。 Credit:©2020Sakai et al

“これまでのところ、熱電発電に関するすべての研究は、確立されているが限られたゼーベック効果に焦点を当ててきました”と中辻氏は述 「これとは対照的に、私たちは異常ネルンスト効果（ANE）と呼ばれる比較的馴染みのない現象に焦点を当てました。”

ANEは、適切な材料の表面を横切る温度勾配の方向に垂直な電圧を生成します。 この現象は、適切な材料がより容易に入手可能になると、熱電発電機の設計を簡素化し、変換効率を高めるのに役立つ可能性があります。

異常なネルンスト効果を担当するノードのウェブ構造を示す図。 ©2020Sakai et al

「ドーピングと呼ばれるプロセスによって、鉄75％、アルミニウム25％（Fe3Al）またはガリウム（Fe3Ga）の材料を作った」とSakai氏は述べています。 “これはANEを大幅に後押ししました。 ドープされていないサンプルと比較して電圧が2倍に跳ね上がったのを見ましたそれは見て興奮していました”

これは、チームがANEを実証したのは初めてではありませんが、以前の実験では、鉄よりも容易に入手できず、高価な材料を使用していました。 この装置の魅力は部分的に低価格および無毒な要素、またさまざまな適用に適するために形成することができるように薄膜の形態で作ることがで

“私たちが今作ることができる薄くて柔軟な構造は、ゼーベック効果に基づいて発電機よりも効率的にエネルギーを収穫することができました”と酒井 “私たちの発見は、ウェアラブルデバイス、電池が実用的ではないアクセスできない場所でのリモートセンサー、およびより多くの電力を供給するための熱電技術につながることを願っています。”

最近の時間の前に材料科学のこの種の開発は、主に時間がかかり、高価な両方だった実験で繰り返し反復と改良から来るだろう。 しかし、チームは数値計算のための計算方法に大きく依存しており、最初のアイデアと成功の証明の間の時間を効果的に短縮しました。

“数値計算は、我々の発見に大きく貢献しました;例えば、高速自動計算は、私たちがテストするのに適した材料を見つけるのに役立ちました,”中辻氏は言 “そして、量子力学に基づく第一原理計算は、私たちの実験にとって重要なノードウェブと呼ばれる電子構造を分析するプロセスを短縮します。”

“これまで、この種の数値計算は非常に困難でした”と有田氏は言います。 “だから我々は我々の材料だけでなく、我々の計算技術は、同様に他の人のための有用なツールになることを願っています。 私たちは皆、私たちの発見に基づいてデバイスを見ることに熱心です。”

リファレンス: 酒井昭人、南進、是常隆、陳泰志、肥後智也、王陽明、野本拓也、平山元明、杖真二、西尾・濱根大介、石井文之、有田良太郎、中辻悟、2020年4月27日、Nature.
土井:10.1038/41586-020-2230-z

本研究は、CREST(JPMJCR18T3)、さきがけ(JPMJPR15N5)、独立行政法人科学技術振興機構、文部科学省科学研究費補助金(JP15H05882、JP15H05883)、科学研究費補助金(JP16H02209、JP16H06345、Jp16H02209、JP16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、Jp16H06345、jp19h00650)は、日本学術振興会（JSPS）のものである。 第一原理計算の作業は、ポスト京（hp180206、hp190169）を用いて取り組む社会科学的重点課題（次世代産業を支援するための新しい機能デバイスや高性能材料の創