Νανοσύρματα μετατρέπουν τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια

Πηγή: PhysicsWorld, 15 Ιανουαρίου 2008

Το πυρίτιο - η βάση της σύγχρονης ηλεκτρονικής - θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σύντομα για να κατασκευαστούν συσκευές χαμηλού κόστους που θα μετατρέπουν τη θερμότητα των αποβλήτων σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό είναι το τολμηρό μέλλον που περιγράφεται από δύο ανεξάρτητες ομάδες επιστημόνων στις ΗΠΑ, οι οποίες έχουν δείξει ότι σειρές μικροσκοπικών καλωδίων από πυρίτιο έχουν εξαιρετικά καλές "θερμοηλεκτρικές" ιδιότητες. Τα συμπεράσματα των ειδικών θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη φτηνών θερμοηλεκτρικών υλικών, αυξάνοντας έτσι την αποδοτικότητα και των τεράστιων γεννητριών με κάρβουνο και των μικροσκοπικών ηλιακών κυψελών.

Πολλές μέθοδοι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας - όπως η καύση των ορυκτών καυσίμων και η πυρηνικής διάσπαση - δημιουργούν τεράστιες ποσότητες θερμικών αποβλήτων. Τα θερμοηλεκτρικά υλικά που μετατρέπουν τη θερμότητα άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσαν κάποια μέρα να χρησιμοποιηθούν για να ανακτήσουν κάποια από αυτήν την ενέργεια, ανεβάζοντας με αυτόν τον τρόπο την αποδοτικότητα των συμβατικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Τα θερμοηλεκτρικά υλικά θα μπορούσαν, επίσης, να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των ηλιακών κυψελών αλλά και να παραγάγουν ηλεκτρική ενέργεια από άλλες πηγές αποβολής θερμότητας, όπως είναι τα τσιπ και τα ψυγεία.

Χαμηλή αποδοτικότητα

Δυστυχώς, τα σημερινά θερμοηλεκτρικά υλικά είναι συνθετικές νανοκατασκευές που είναι πολύ ακριβά στην κατασκευή τους και δεν είναι αρκετά αποδοτικά για να χρησιμοποιηθούν εμπορικά.

Μερικοί ερευνητές θεωρούν ότι τα θερμοηλεκτρικά υλικά με βάση το πυρίτιο θα μπορούσαν να υπερνικήσουν αυτούς τους περιορισμούς, επειδή πρώτον το πυρίτιο είναι εύκολο και ανέξοδο να επεξεργαστεί και δεύτερον έχει σωστές ηλεκτρικές ιδιότητες για να είναι θερμοηλεκτρικό υλικό. Εντούτοις, το πυρίτιο είναι επίσης ένας καλός αγωγός της θερμότητας. Ένα θερμοηλεκτρικό υλικό μετατρέπει μια διαφορά της θερμοκρασίας κατά μήκος ενός υλικού σε μια τάση, και η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του πυριτίου σημαίνει ότι απαιτείται ένα μεγάλο ποσό θερμότητας για να δημιουργήσει μια μικρή διαφορά θερμοκρασίας - κάνοντας το έτσι ένα πολύ ανεπαρκές θερμοηλεκτρικό υλικό.

Κατά ένα παράγοντα 100

Τώρα, δύο ανεξάρτητες ομάδες στην Καλιφόρνια έχουν βρει έναν τρόπο να ανεβάσουν τη θερμοηλεκτρική αποδοτικότητα του πυριτίου κατά πολύ,  όπως για παράδειγμα 100 φορές πάνω. Και τα δύο αποτελέσματα αναφέρονται στο περιοδικό Nature.

Ο Allon Hochbaum και οι συνάδελφοι του στο πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ, δημιούργησαν σειρές από μικροσκοπικού νανοσύρματα πυριτίου, βυθίζοντας γκοφρέτες πυριτίου σε ένα υδατικό διάλυμα ιόντων αργύρου. Τα νανοσύρματα είχαν διάμετρο 20-300 nm και η ομάδα ανακάλυψε ότι οι σειρές αυτές έχουν μια θερμοηλεκτρική αποδοτικότητα 60 φορές μεγαλύτερη από το κανονικό πυρίτιο στη θερμοκρασία του δωματίου.

Τραχιές επιφάνειες

Πιστεύουν ότι αυτή η άνοδος στην αποδοτικότητα εμφανίζεται επειδή τα ηχητικά κύματα που μεταφέρουν τη θερμότητα, τα γνωστά φωνόνια, κινούνται πολύ δύσκολα κατά μήκος των πολύ στενών νανοσυρμάτων, μειώνοντας τη δυνατότητά τους να άγουν τη θερμότητα. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της ομάδας του Μπέρκλευ είναι ότι οι επιφάνειες στα νανοσύρματα τους είναι τραχιές, που οι ερευνητές θεωρούν ότι συμβάλλει στην υψηλή θερμοηλεκτρική αποδοτικότητά τους, αν και η φυσική πίσω από αυτό παραμένει ασαφές.

Εν τω μεταξύ, στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας, ο Akram Boukai και οι συνάδελφοι του έχουν δει μια παρόμοια επίδραση σε ακόμα μικρότερα ορθογώνια νανοσύρματα με διατομές 10 × 20 nm και 20 × 20 nm. Η ομάδα αυτή μέτρησε μια άνοδο 40-πλάσια στην αποδοτικότητα από το κανονικό πυρίτιο στη θερμοκρασία του δωματίου. Η απόδοση μάλιστα αυξήθηκε 100 φορές στους -73 °C.

Περιέργως, οι παρατηρήσεις τους προτείνουν ότι ένα άλλο φαινόμενο - η "έλξη φωνονίου" - διαδραματίζει επίσης έναν ρόλο στην ώθηση της θερμοηλεκτρικής αποδοτικότητας. Η έλξη φωνονίου εμφανίζεται όταν τα φωνόνια που κινούνται μέσα στο πυρίτιο συγκρούονται με τους φορείς των φορτίων, όπως είναι τα ηλεκτρόνια, και τα παρασύρουν εμπρός.