detta diagram visar forskare hur elektrisk energi finns i ett prov av Fe3Ga. Kreditera: 2020 Sakai et al

en tunn, järnbaserad generator använder spillvärme för att ge små mängder ström.

forskare har hittat ett sätt att omvandla värmeenergi till el med ett giftfritt material. Materialet är mestadels järn som är extremt billigt med tanke på dess relativa överflöd. En generator baserad på detta material kan driva små enheter som fjärrsensorer eller bärbara enheter. Materialet kan vara tunt så att det kan formas till olika former.

det finns inget sådant som en gratis lunch eller fri energi. Men om dina energibehov är tillräckligt låga, säg till exempel när det gäller en liten sensor av något slag, så finns det ett sätt att utnyttja värmeenergi för att leverera din ström utan ledningar eller batterier. Forskningsassistent Akito Sakai och gruppmedlemmar från hans laboratorium vid University of Tokyo Institute for Solid State Physics and Department of Physics, ledd av Professor Satoru Nakatsuji, och från Institutionen för Tillämpad fysik, ledd av Professor Ryotaro Arita, har vidtagit steg mot detta mål med sitt innovativa järnbaserade termoelektriska material.

termoelektriska enheter baserade på den avvikande Nernst-effekten (vänster) och Seebeck-effekten (höger). (V) representerar strömriktningen, (T) temperaturgradienten och (M) magnetfältet. Kredit: Sakai 2020 2020 et al

”hittills har all studie om termoelektrisk generation fokuserat på den etablerade men begränsade Seebeck-effekten”, säger Nakatsuji. ”Däremot fokuserade vi på ett relativt mindre bekant fenomen som kallas den anomala Nernst-effekten (ANE).”

ANE producerar en spänning vinkelrätt mot riktningen för en temperaturgradient över ytan av ett lämpligt material. Fenomenet kan bidra till att förenkla utformningen av termoelektriska generatorer och förbättra deras omvandlingseffektivitet om rätt material blir mer lättillgängliga.

ett diagram för att visa den nodala webbstrukturen som är ansvarig för den avvikande Nernst-effekten. Credit: 2020 2020 Sakai et al

”Vi gjorde ett material som är 75 procent järn och 25 procent aluminium (Fe3Al) eller gallium (Fe3Ga) genom en process som kallas dopning”, säger Sakai. ”Detta ökade ANE avsevärt. Vi såg ett tjugofaldigt hopp i spänning jämfört med odopade prover, vilket var spännande att se.”

detta är inte första gången laget har visat ANE, men tidigare experiment använde material som är mindre lättillgängliga och dyrare än järn. Attraktionen hos denna enhet är delvis dess billiga och icke-toxiska beståndsdelar, men också det faktum att den kan tillverkas i en tunnfilmsform så att den kan formas för att passa olika applikationer.

” de tunna och flexibla strukturerna vi nu kan skapa kan skörda energi mer effektivt än generatorer baserade på Seebeck-effekten”, förklarade Sakai. ”Jag hoppas att vår upptäckt kan leda till termoelektrisk teknik för att driva bärbara enheter, fjärrsensorer på otillgängliga platser där batterier är opraktiska och mer.”

före den senaste tiden skulle denna typ av utveckling inom materialvetenskap främst komma från upprepade iterationer och förfiningar i experiment som var både tidskrävande och dyra. Men laget förlitade sig starkt på beräkningsmetoder för numeriska beräkningar som effektivt minskade tiden mellan den ursprungliga ideen och beviset på framgång.

”numeriska beräkningar bidrog mycket till vår upptäckt; till exempel hjälpte Höghastighetsautomatiska beräkningar oss att hitta lämpliga material att testa”, säger Nakatsuji. ”Och första principer beräkningar baserade på kvantmekanik genväg processen att analysera elektroniska strukturer vi kallar nodala banor som är avgörande för våra experiment.”

”fram till nu var denna typ av numerisk beräkning oöverkomligt svår”, säger Arita. ”Så vi hoppas att inte bara våra material, men våra beräkningstekniker kan vara användbara verktyg för andra också. Vi är alla angelägna om att en dag se enheter baserade på vår upptäckt.”

referens: ”Järnbaserade binära ferromagneter för tvärgående termoelektrisk omvandling” av Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji sockerrör, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita och Satoru Nakatsuji, 27 April 2020, natur.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

detta arbete stöds delvis av CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japan Science and Technology Agency, av Grants-in-Aids för vetenskaplig forskning om innovativa områden (JP15H05882 och JP15H05883) från Ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan och av Grants-in-Aid för vetenskaplig forskning (JP16H02209, JP16H06345, jp19h00650) från det japanska samhället för främjande av vetenskap (JSPS). Arbetet med beräkning av första principer stöddes delvis av JSPS-bidrag till vetenskaplig forskning om innovativa områden (JP18H04481 och JP19H05825) och av MEXT som en social och vetenskaplig prioriterad fråga (skapande av nya funktionella enheter och högpresterande material för att stödja nästa generations industrier) som ska hanteras med hjälp av post-K-dator (hp180206 och hp190169).