ten diagram pokazuje badaczom, w jaki sposób energia elektryczna istnieje w próbce Fe3Ga. Kredyt: © 2020 Sakai et al

cienki generator na bazie żelaza wykorzystuje ciepło odpadowe do dostarczania niewielkich ilości energii.

naukowcy znaleźli sposób na przekształcenie energii cieplnej w energię elektryczną za pomocą nietoksycznego materiału. Materiał to głównie żelazo, które jest niezwykle tanie ze względu na względną obfitość. Generator oparty na tym materiale może zasilać małe urządzenia, takie jak zdalne czujniki lub urządzenia do noszenia. Materiał może być cienki, dzięki czemu można go kształtować w różne formy.

nie ma czegoś takiego jak darmowy lunch czy darmowa energia. Ale jeśli Twoje zapotrzebowanie na energię jest wystarczająco niskie, na przykład w przypadku małego czujnika, istnieje sposób na wykorzystanie energii cieplnej do zasilania bez przewodów i baterii. Akito Sakai i członkowie grupy z jego laboratorium na Uniwersytecie Tokijskim Institute for Solid State Physics i Wydziału Fizyki, kierowanego przez profesora Satoru Nakatsuji, oraz z Wydziału Fizyki Stosowanej, kierowanego przez profesora Ryotaro Arita, podjęli kroki w tym celu za pomocą innowacyjnego materiału termoelektrycznego na bazie żelaza.

urządzenia termoelektryczne oparte na anomalnym efekcie Nernsta (po lewej) i efekcie Seebecka (po prawej). (V) reprezentuje kierunek prądu, (T) gradient temperatury i (M) pole magnetyczne. Kredyt: © 2020 Sakai et al

„do tej pory wszystkie badania nad generowaniem termoelektrycznym koncentrowały się na ustalonym, ale ograniczonym efekcie Seebecka”, powiedział Nakatsuji. „Natomiast skupiliśmy się na stosunkowo mniej znanym zjawisku zwanym anomalnym efektem Nernsta (ANE).”

ANE wytwarza napięcie prostopadłe do kierunku gradientu temperatury na powierzchni odpowiedniego materiału. Zjawisko to może pomóc uprościć projektowanie generatorów termoelektrycznych i zwiększyć ich efektywność konwersji, jeśli odpowiednie materiały staną się łatwiej dostępne.

diagram pokazujący strukturę sieci węzłowej odpowiedzialną za anomalny efekt Nernsta. Kredyt: © 2020 Sakai et al

„zrobiliśmy materiał, który jest 75 procent żelaza i 25 procent aluminium (Fe3Al) lub galu (Fe3Ga) w procesie zwanym dopingiem”, powiedział Sakai. „To znacznie wzmocniło ANE. Widzieliśmy 20-krotny skok napięcia w porównaniu do niedomieszkowanych próbek, co było ekscytujące.”

nie po raz pierwszy zespół zademonstrował ANE, ale w poprzednich eksperymentach wykorzystano materiały mniej dostępne i droższe niż żelazo. Atrakcją tego urządzenia jest częściowo jego tanie i nietoksyczne składniki, ale także fakt, że może być wykonany w postaci cienkowarstwowej, dzięki czemu może być formowany do różnych zastosowań.

„cienkie i elastyczne struktury, które możemy teraz stworzyć, mogą pobierać energię wydajniej niż Generatory oparte na efekcie Seebecka”, wyjaśnia Sakai. „Mam nadzieję, że nasze odkrycie może doprowadzić do technologii termoelektrycznych do zasilania urządzeń nadających się do noszenia, zdalnych czujników w niedostępnych miejscach, w których baterie są niepraktyczne i nie tylko.”

przed ostatnimi czasy ten rodzaj rozwoju w dziedzinie materiałoznawstwa wynikał głównie z powtarzających się iteracji i udoskonaleń w eksperymentach, które były zarówno czasochłonne, jak i kosztowne. Jednak zespół w dużej mierze opierał się na metodach obliczeniowych do obliczeń numerycznych, skutecznie skracając czas między początkowym pomysłem a dowodem sukcesu.

„obliczenia numeryczne bardzo przyczyniły się do naszego odkrycia; na przykład szybkie automatyczne obliczenia pomogły nam znaleźć odpowiednie materiały do przetestowania”, powiedział Nakatsuji. „I pierwsze zasady obliczenia oparte na mechanice kwantowej skracają proces analizy struktur elektronicznych, które nazywamy sieciami węzłowymi, które są kluczowe dla naszych eksperymentów.”

” do tej pory tego rodzaju obliczenia numeryczne były zbyt trudne”, powiedział Arita. „Mamy więc nadzieję, że nie tylko nasze materiały, ale nasze techniki obliczeniowe mogą być użytecznymi narzędziami również dla innych. Wszyscy jesteśmy chętni, aby pewnego dnia zobaczyć urządzenia oparte na naszym odkryciu.”

: „Binarne ferromagnetyki na bazie żelaza do poprzecznej transformacji termoelektrycznej” Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yanming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Kane, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Retaro Arita i Satoru Nakatsuji, 27 kwietnia 2020 r., natura.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

Prace te są częściowo wspierane przez CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japan Science and Technology Agency, przez Grants-in-Aids for Scientific Research on Innovative Areas (JP15H05882 and JP15H05883) z Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i technologii Japonii oraz przez Grants-in-Aid for Scientific Research (JP16H02209, jp16h06345, jp19h00650) japońskiego Towarzystwa Promocji Nauki (JSPS). Prace nad obliczaniem pierwszych zasad były częściowo wspierane przez Jsps Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (JP18H04481 and JP19H05825) oraz przez MEXT jako priorytetowy problem społeczny i naukowy (tworzenie nowych funkcjonalnych urządzeń i materiałów o wysokiej wydajności w celu wsparcia przemysłu następnej generacji), który należy rozwiązać za pomocą komputera post-K (hp180206 i hp190169).