dette diagrammet viser forskere hvordan elektrisk energi eksisterer i Et Utvalg Av Fe3Ga. Kreditt: © 2020 Sakai et al

en tynn, jernbasert generator bruker spillvarme til å gi små mengder strøm.Forskere har funnet en måte å konvertere varmeenergi til elektrisitet med et ikke-giftig materiale. Materialet er for det meste jern som er ekstremt billig gitt sin relative overflod. En generator basert på dette materialet kan drive små enheter som fjernsensorer eller bærbare enheter. Materialet kan være tynt, slik at det kan formes i ulike former.

Det er ikke noe slikt som en gratis lunsj eller fri energi. Men hvis energibehovet ditt er lavt nok, for eksempel i tilfelle av en liten sensor av noe slag, så er det en måte å utnytte varmeenergi for å levere strøm uten ledninger eller batterier. Forskningsassistent Akito Sakai og gruppemedlemmer fra laboratoriet ved University Of Tokyo Institute For Solid State Physics og Institutt For Fysikk, ledet Av Professor Satoru Nakatsuji, og Fra Institutt For Anvendt Fysikk, ledet av Professor Ryotaro Arita, har tatt skritt mot dette målet med sitt innovative jernbaserte termoelektriske materiale.

Termoelektriske enheter basert på den uregelmessige nernst-effekten (venstre) og seebeck-effekten (høyre). (V) representerer strømretningen, (T) temperaturgradienten og (M) magnetfeltet. Kreditt: © 2020 Sakai et al

» så langt har all studie på termoelektrisk generasjon fokusert på den etablerte, men begrensede seebeck-effekten,» Sa Nakatsuji. «I kontrast fokuserte vi på et relativt mindre kjent fenomen kalt den uregelmessige nernst-effekten (ANE).»

ane produserer en spenning vinkelrett på retningen av en temperaturgradient over overflaten av et egnet materiale. Fenomenet kan bidra til å forenkle utformingen av termoelektriske generatorer og forbedre konverteringseffektiviteten dersom de riktige materialene blir lettere tilgjengelige.

et diagram for å vise nodal webstrukturen som er ansvarlig for den uregelmessige nernst-effekten. Kreditt: © 2020 Sakai et al

«Vi laget et materiale som er 75 prosent jern og 25 prosent aluminium (Fe3Al) eller gallium (Fe3Ga) ved en prosess som kalles doping,» Sa Sakai. «Dette økte ANE betydelig. Vi så en twentyfold hopp i spenning i forhold til undoped prøver, som var spennende å se.»

dette er ikke første gang teamet har vist ANE, men tidligere eksperimenter brukte materialer mindre lett tilgjengelig og dyrere enn jern. Tiltrengningen av denne enheten er delvis dens lave kostnader og ikke-toksiske bestanddeler, men også det faktum at det kan gjøres i en tynnfilmform slik at den kan støpes for å passe til ulike applikasjoner.»de tynne og fleksible strukturene vi nå kan skape, kan høste energi mer effektivt enn generatorer basert På seebeck-effekten,» forklarte Sakai. «Jeg håper vår oppdagelse kan føre til termoelektriske teknologier for å drive bærbare enheter, fjernsensorer på utilgjengelige steder der batterier er upraktiske, og mer.»Før nyere tid ville denne typen utvikling i materialvitenskap hovedsakelig komme fra gjentatte iterasjoner og forbedringer i eksperimenter som var både tidkrevende og dyre. Men teamet støttet seg tungt på beregningsmetoder for numeriske beregninger som effektivt reduserer tiden mellom den første ideen og bevis på suksess.»Numeriske beregninger bidro sterkt til vår oppdagelse; for eksempel, høyhastighets automatiske beregninger hjalp oss med å finne egnede materialer for å teste,» Sa Nakatsuji. «Og første prinsipper beregninger basert på kvantemekanikk snarvei prosessen med å analysere elektroniske strukturer vi kaller nodal webs som er avgjørende for våre eksperimenter.»

«frem til nå var denne typen numerisk beregning uoverkommelig vanskelig,» sa Arita. «Så vi håper at ikke bare våre materialer, men våre beregningsteknikker kan være nyttige verktøy for andre også. Vi er alle opptatt av å en dag se enheter basert på vår oppdagelse.»

Referanse: «Jernbaserte binære ferromagneter for transversal termoelektrisk konvertering» av 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 og Satoru Nakatsuji, 27 April 2020, nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

dette arbeidet er delvis støttet AV CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japan Science And Technology Agency, Av Tilskudd-I-Hjelpemidler For Vitenskapelig Forskning På Innovative Områder (JP15H05882 OG JP15H05883) Fra Departementet For Utdanning, Kultur, Sport, Vitenskap Og Teknologi I Japan, og Av Tilskudd-I-Aid For Vitenskapelig Forskning (JP16H02209, jp16h06345, jp19h00650) FRA DET JAPANSKE SAMFUNNET FOR FREMME AV VITENSKAP (JSPS). Arbeidet med førsteprinsippberegning ble delvis støttet AV JSPS Grant-in-Aid For Vitenskapelig Forskning På Innovative Områder (JP18H04481 OG JP19H05825) og AV MEXT som et sosialt og vitenskapelig prioriteringsspørsmål (Opprettelse av nye funksjonelle enheter og høyytelsesmaterialer for å støtte neste generasjons næringer) som skal håndteres ved hjelp av post-k computer (hp180206 og hp190169).