Este diagrama mostra pesquisadores como energia elétrica existe em uma amostra de Fe3Ga. Crédito: © 2020 Sakai et al

a thin, iron-based generator uses waste heat to provide small amounts of power.os investigadores encontraram uma forma de converter a energia térmica em electricidade com um material não tóxico. O material é principalmente ferro, que é extremamente barato dada a sua abundância relativa. Um gerador baseado neste material poderia alimentar pequenos dispositivos, tais como sensores remotos ou dispositivos usáveis. O material pode ser fino para que possa ser moldado em várias formas.não existe tal coisa como um almoço grátis, ou energia livre. Mas se suas demandas de energia são baixas o suficiente, por exemplo, no caso de um pequeno sensor de algum tipo, então há uma maneira de aproveitar a energia de calor para suprir sua energia sem fios ou baterias. Associado de investigação de Akito Sakai e os membros do grupo a partir de seu laboratório na Universidade de Tóquio, Instituto de Física do Estado Sólido e Departamento de Física, liderado pelo Professor Satoru Nakatsuji, e do Departamento de Física Aplicada, liderado pelo Professor Ryotaro Arita, deram passos em direção a este objetivo com a sua inovadora à base de ferro termelétrica material.

dispositivos termoelétricos baseados no efeito anômalo Nernst (esquerda) e no efeito Seebeck (direita). V) representa a direcção da corrente, T) o gradiente de temperatura e M) O campo magnético. Crédito: © 2020 Sakai et al

“até agora, todo o estudo sobre geração termoelétrica tem focado no efeito Seebeck estabelecido, mas limitado”, disse Nakatsuji. Em contraste, focamos em um fenômeno relativamente menos familiar chamado de efeito anernst anômalo (ANE).”

ANE produz uma tensão perpendicular à direcção de um gradiente de temperatura na superfície de um material adequado. O fenômeno poderia ajudar a simplificar o design de geradores termoelétricos e aumentar a sua eficiência de conversão se os materiais certos se tornarem mais prontamente disponíveis.

a diagram to show the nodal web structure responsible for the anomalous Nernst effect. Crédito: © 2020 Sakai et al

“nós fizemos um material que é 75 por cento de ferro e 25 por cento de alumínio (Fe3Al) ou gálio (Fe3Ga) por um processo chamado doping”, disse Sakai. “Isso impulsionou significativamente ANE. Vimos um salto de 20 vezes na voltagem comparado com amostras não-abertas, o que foi emocionante de ver.”

Esta não é a primeira vez que a equipe tem demonstrado ANE, mas experimentos anteriores usaram materiais menos prontamente disponíveis e mais caros do que o ferro. A atração deste dispositivo é em parte seus componentes de baixo custo e não tóxico, mas também o fato de que ele pode ser feito em uma forma de película fina para que ele possa ser moldado para atender a várias aplicações.

“The thin and flexible structures we can now create could harvest energy more efficiently than generators based on the Seebeck effect”, explained Sakai. “Espero que a nossa descoberta possa levar a tecnologias termoelétricas para alimentar dispositivos usáveis, sensores remotos em lugares inacessíveis onde baterias são impraticáveis, e muito mais.”

Antes últimos tempos, este tipo de desenvolvimento em ciência dos materiais, principalmente surgiu a partir de repetidas iterações e refinamentos em experimentos que foram demorado e caro. Mas a equipe confiou fortemente em Métodos Computacionais para cálculos numéricos efetivamente reduzindo o tempo entre a idéia inicial e a prova de sucesso.”cálculos numéricos contribuíram muito para a nossa descoberta; por exemplo, cálculos automáticos de alta velocidade nos ajudaram a encontrar materiais adequados para testar”, disse Nakatsuji. “E cálculos dos primeiros princípios baseados no atalho da mecânica quântica o processo de análise de estruturas eletrônicas que chamamos de teias nodal que são cruciais para nossos experimentos.”

“até agora este tipo de cálculo numérico era proibitivamente difícil”, disse Arita. “Então esperamos que não só nossos materiais, mas nossas técnicas computacionais possam ser ferramentas úteis para outros também. Estamos todos ansiosos para um dia Ver dispositivos baseados em nossa descoberta.”

referência: “À base de ferro binário ferromagnets para transversa termelétrica de conversão” por Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Wang Yangming, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Cana, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita e Satoru Nakatsuji, 27 de abril de 2020, a natureza.
DOI: 10.1038/s41586-020-2230-z

Este trabalho é parcialmente suportada pela CRISTA (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japan Science and Technology Agency, através de Bolsas-no-Sida para a Investigação Científica em Áreas Inovadoras (JP15H05882 e JP15H05883) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão, e por Subvenções de Ajuda para a Investigação Científica (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JSPS). O trabalho para o primeiro-princípios de cálculo foi apoiado em parte por JSPS Subsídios para a Investigação Científica em Áreas Inovadoras (JP18H04481 e JP19H05825) e pelo MEXT como uma construção social e científica prioridade problema (Criação de novos dispositivos funcionais e materiais de alto desempenho para suportar a próxima geração de indústrias) para resolver pós-K computador (hp180206 e hp190169).