această diagramă arată cercetătorilor cum există energia electrică într-un eșantion de Fe3Ga. Credit: Irak 2020 Sakai și colab.

un generator subțire, pe bază de fier, folosește căldura reziduală pentru a furniza cantități mici de energie.

cercetătorii au găsit o modalitate de a transforma energia termică în electricitate cu un material netoxic. Materialul este în mare parte fier, care este extrem de ieftin, având în vedere abundența sa relativă. Un generator bazat pe acest material ar putea alimenta dispozitive mici, cum ar fi senzori la distanță sau dispozitive purtabile. Materialul poate fi subțire, astfel încât să poată fi modelat în diferite forme.

nu există prânz gratuit sau energie gratuită. Dar dacă cerințele dvs. de energie sunt suficient de scăzute, să zicem, de exemplu, în cazul unui senzor mic de un fel, atunci există o modalitate de a valorifica energia termică pentru a vă furniza energia fără fire sau baterii. Cercetător asociat Akito Sakai și membrii grupului de la laboratorul său de la Universitatea din Tokyo Institutul pentru Fizica stării solide și Departamentul de Fizică, condus de profesorul Satoru Nakatsuji, și de la Departamentul de Fizică Aplicată, condus de profesorul Ryotaro Arita, au făcut pași către acest obiectiv cu materialul lor termoelectric inovator pe bază de fier.

dispozitive termoelectrice bazate pe efectul Nernst anormal (stânga) și efectul Seebeck (dreapta). (V) reprezintă direcția curentului, (T) gradientul de temperatură și (M) câmpul magnetic. Credit: Irak 2020 Sakai et al

„până în prezent, tot studiul privind generarea termoelectrică s-a concentrat pe efectul Seebeck stabilit, dar limitat”, a spus Nakatsuji. „În schimb, ne-am concentrat pe un fenomen relativ mai puțin familiar numit efectul anormal Nernst (ANE).”

ANE produce o tensiune perpendiculară pe direcția unui gradient de temperatură pe suprafața unui material adecvat. Fenomenul ar putea ajuta la simplificarea proiectării generatoarelor termoelectrice și la îmbunătățirea eficienței conversiei acestora dacă materialele potrivite devin mai ușor disponibile.

o diagramă pentru a arăta structura web nodală responsabilă de efectul Nernst anormal. Credit: Irak 2020 Sakai et al

„am realizat un material care este 75% fier și 25% aluminiu (Fe3Al) sau galiu (Fe3Ga) printr-un proces numit dopaj”, a spus Sakai. „Acest lucru a stimulat semnificativ Ane. Am văzut un salt de douăzeci de ori în tensiune în comparație cu probele nedopate, ceea ce a fost interesant de văzut.”

aceasta nu este prima dată când echipa a demonstrat ANE, dar experimentele anterioare au folosit materiale mai puțin disponibile și mai scumpe decât fierul. Atracția acestui dispozitiv este parțial constituenții săi low-cost și netoxici, dar și faptul că poate fi realizat într-o formă de film subțire, astfel încât să poată fi modelat pentru a se potrivi diferitelor aplicații.”structurile subțiri și flexibile pe care le putem crea acum ar putea recolta energie mai eficient decât generatoarele bazate pe efectul Seebeck”, a explicat Sakai. „Sper că descoperirea noastră poate duce la tehnologii termoelectrice pentru a alimenta dispozitive purtabile, senzori la distanță în locuri inaccesibile unde bateriile sunt impracticabile și multe altele.”

înainte de vremurile recente, acest tip de dezvoltare în știința materialelor ar veni în principal din iterații repetate și rafinamente în experimente care au fost atât consumatoare de timp, cât și costisitoare. Dar echipa s-a bazat foarte mult pe metode de calcul pentru calcule numerice reducând în mod eficient timpul dintre ideea inițială și dovada succesului.”calculele numerice au contribuit foarte mult la descoperirea noastră; de exemplu, calculele automate de mare viteză ne-au ajutat să găsim materiale adecvate pentru testare”, a spus Nakatsuji. „Și primele principii calcule bazate pe mecanica cuantică scurtează procesul de analiză a structurilor electronice pe care le numim rețele nodale care sunt cruciale pentru experimentele noastre.”

„până acum acest tip de calcul numeric a fost prohibitiv de dificil”, a spus Arita. „Așadar, sperăm că nu numai materialele noastre, ci și tehnicile noastre de calcul pot fi instrumente utile și pentru alții. Suntem cu toții dornici să vedem într-o zi dispozitive bazate pe descoperirea noastră.”

referință: „Feromagneți binari pe bază de fier pentru conversie termoelectrică transversală” de 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 și Satoru Nakatsuji, 27 aprilie 2020, natură.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

această lucrare este parțial susținută de CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), agenția japoneză pentru știință și Tehnologie, de granturi în ajutoare pentru cercetare științifică în domenii inovatoare (JP15H05882 și JP15H05883) de la Ministerul Educației, Culturii, Sportului, științei și Tehnologiei din Japonia și de granturi în ajutor pentru cercetare științifică (JP16H02209, jp16h06345, jp19h00650) de la societatea japoneză pentru promovarea științei (JSP). Activitatea de calculare a primelor principii a fost sprijinită parțial de Granturile JSPS pentru cercetarea științifică în domenii inovatoare (JP18H04481 și JP19H05825) și de MEXT ca o problemă prioritară socială și științifică (crearea de noi dispozitive funcționale și materiale de înaltă performanță pentru a sprijini industriile de generație următoare) care urmează să fie abordate prin utilizarea calculatorului post-K (hp180206 și hp190169).