Vật liệu nhiệt điện có thể chuyển đổi nhiệt trực tiếp thành điện năng và ngược lại, tiềm năng công nghệ của chúng đang thu hút sự chú ý. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Vienna đã khám phá các hợp kim kim loại khác nhau để tìm ra vật liệu nhiệt điện hiệu quả nhất. Hỗn hợp niken và vàng đã tỏ ra đặc biệt hứa hẹn. Các nhà nghiên cứu gần đây đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí uy tín Science Advances.
Sử dụng nhiệt điện để tạo ra điện không có gì mới. Chúng đã được sử dụng để tạo ra điện trong thám hiểm không gian từ giữa thế kỷ 20, nhưng nhiệt điện cũng được sử dụng trong các ứng dụng hàng ngày như tủ lạnh di động. Ngoài ra, chúng có thể được sử dụng trong môi trường công nghiệp để chuyển đổi nhiệt thải thành điện xanh, đây chỉ là một trong những ứng dụng tiềm năng.
Hiệu ứng nhiệt điện dựa trên sự chuyển động của các hạt tích điện di chuyển từ phía nóng hơn của vật liệu sang phía lạnh hơn. Điều này tạo ra một điện áp, còn gọi là điện áp nhiệt điện, chống lại chuyển động kích thích nhiệt của các hạt mang điện.
Hệ số Seebeck, được đặt theo tên của nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck, là một thông số quan trọng để đo đặc tính nhiệt điện của vật liệu. Điều kiện quan trọng ở đây là sự mất cân bằng giữa điện tích dương và điện tích âm, vì chúng bù trừ cho nhau.
Fabian Garmroudi, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích: "Mặc dù Seebeck đã phát hiện ra tác dụng nhiệt điện của các kim loại thông thường từ hơn 200 năm trước nhưng ngày nay kim loại khó được coi là vật liệu nhiệt điện vì hệ số Seebeck của chúng thường rất thấp. Một mặt, các kim loại như đồng, bạc hoặc vàng có độ dẫn điện cực cao; mặt khác, hệ số Seebeck của chúng rất nhỏ trong hầu hết các trường hợp "
Hợp kim vàng-niken có đặc tính tuyệt vời. 0
Giờ đây, các nhà vật lý tại Viện Vật lý chất rắn tại TU Vienna đã thành công trong việc tìm ra một hợp kim kim loại có độ dẫn điện cao và hệ số Seebeck cực lớn. Khi niken kim loại từ tính được trộn với vàng kim loại quý, các tính chất điện tử của nó sẽ trải qua những thay đổi cơ bản.
Khi thêm khoảng 10% niken vào, màu hơi vàng của vàng sẽ biến mất ngay lập tức và hiệu suất nhiệt điện được cải thiện nhanh chóng. Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng Seebeck nâng cao nằm ở hành vi tán xạ của các electron khi năng lượng của chúng thay đổi. Hiệu ứng này về cơ bản khác với hiệu ứng nhiệt điện bán dẫn.
Do tính chất điện tử đặc biệt của các nguyên tử niken, điện tích dương bị phân tán mạnh hơn điện tích âm, tạo ra sự mất cân bằng cần thiết và do đó tạo ra điện áp nhiệt điện cao.
“Hãy tưởng tượng một cuộc đua giữa hai vận động viên chạy, một người đang chạy trên đường tự do, còn người kia phải vượt qua rất nhiều chướng ngại vật. Tất nhiên, người trên đường tự do chạy nhanh hơn đối thủ, trong khi đối thủ phải giảm tốc độ và đổi hướng thường xuyên hơn”. Andrej Pustogow, tác giả chính của nghiên cứu, đã so sánh dòng electron trong nhiệt điện kim loại. Trong hợp kim được nghiên cứu ở đây, các điện tích dương bị phân tán mạnh bởi các electron niken, trong khi các điện tích âm hầu như chuyển động không bị xáo trộn.
Hợp kim vàng-niken có độ dẫn điện cực cao và hệ số Seebeck cao, do đó giá trị hệ số công suất nhiệt điện của nó đã đạt mức cao kỷ lục, vượt xa giá trị hệ số công suất nhiệt điện của chất bán dẫn truyền thống.
Fabian Garmroudi giải thích: "Với cùng hình dạng và độ dốc nhiệt độ cố định, năng lượng điện được tạo ra cao hơn nhiều lần so với bất kỳ vật liệu nào khác đã biết. Hơn nữa, mật độ năng lượng cao có thể được sử dụng trên quy mô lớn trong tương lai." Các khu vực chung. Lấy hiệu suất hiện tại làm ví dụ, đồng hồ thông minh có thể tự động sạc bằng nhiệt độ cơ thể của người đeo "
Hợp kim vàng NikenĐây mới chỉ là khởi đầuTAGP. H10
"Mặc dù vàng rất đắt tiền phần tử, công việc của chúng tôi đại diện cho một bằng chứng về khái niệm. Chúng tôi đã có thể chứng minh rằng không chỉ chất bán dẫn mà cả kim loại cũng có thể thể hiện các đặc tính nhiệt điện tốt, khiến chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau." Mic, một trong những tác giả chính của nghiên cứu "Hợp kim kim loại mang lại nhiều lợi thế khác nhau so với chất bán dẫn, đặc biệt là trong chế tạo máy phát nhiệt điện," Hael Parzer giải thích.
Không phải ngẫu nhiên mà các nhà nghiên cứu có thể chứng minh bằng thực nghiệm rằng hợp kim niken-vàng là vật liệu nhiệt điện rất tốt. "Thậm chí Michael Parzer cho biết: "Trước khi bắt đầu công việc thử nghiệm, chúng tôi đã tính toán thông qua các mô hình lý thuyết xem hợp kim nào sẽ phù hợp nhất. Hiện tại, nhóm nghiên cứu cũng đang nghiên cứu các ứng cử viên đầy triển vọng khác không yêu cầu nguyên tố vàng đắt tiền."