Как заморозить теплопроводность

Атом в клетке может колебаться в двух разных направлениях. Предоставлено: Венский технологический университет

Физики открыли новый эффект, который дает возможность создавать отличные теплоизоляторы, проводящие электричество. Такие материалы могут использоваться для преобразования тепла в электрическую энергию.

Каждый день мы теряем ценную энергию в виде отработанного тепла—как в технических устройствах дома, так и в крупных энергосистемах. Часть его удалось восстановить с помощью «термоэлектрического эффекта». «Тепловой поток от горячего прибора к холодной окружающей среде можно сразу преобразовать в электропитание. Однако для этого требуются материалы с особыми свойствами. Они должны быть хорошими электрическими проводниками, но плохими тепловыми проводниками – два требования, которые трудно согласовать.

Исследователи по всему миру ищут такие материалы. Некоторые материалы с клеточной структурой оказались особенно перспективными, например клатраты, которые изучаются в TU Wien. Теперь, после тщательных исследований, был продемонстрирован замечательный эффект, который может объяснить особенно низкую теплопроводность этих материалов.

Тюремные камеры для атомов

«Клатраты — это кристаллы с особой структурой», — объясняет профессор Сильке Бюлер-пашен из Института физики твердого тела Венского технологического университета. «Их кристаллическая решетка содержит крошечные клетки, в которых заперты отдельные атомы. Эти атомы могут колебаться взад и вперед в одной ячейке, не видя большей части остального кристалла.»

Тепла в твердом теле присутствует в виде колебаний его атомов. Когда кристалл нагревается, вибрации становятся сильнее, пока в какой-то момент связи между атомами не разрываются и Кристалл не плавится. «Существует два типа вибраций,- говорит Сильке Бюлер-пашен. «Если соседние атомы сильно связаны друг с другом, то вибрация одного атома может быть непосредственно передана его соседям, и тепловая волна распространяется через материал. Чем сильнее связь между атомами, тем быстрее распространение волны и тем больше теплопроводность. Однако, если атом только очень слабо связан со своими соседями, так же, как атом, сидящий в клетке клатрата, то он в значительной степени независим от других, и тепловая волна чрезвычайно медленная.»

Как заморозить теплопроводность
Профессор Сильке Бюлер-Пашен. Предоставлено: Венский технологический университет

Новый эффект: Кондо-подобное рассеяние фононов
В рамках своей диссертации с Silke Bühler-Paschen Маттиас Икеда выяснил, что именно из-за определенного взаимодействия между этими двумя видами тепловой волны клатраты являются такими хорошими теплоизоляторами. Маттиас Икеда провел точные и обширные измерения. Серии кристаллов, каждый со слегка отличающимися свойствами, были произведены в TU Wien и тщательно измерены. «В конце концов, мы смогли доказать то, чему сначала никто не хотел верить: существует доселе неизвестный физический эффект, который подавляет теплопроводность—мы называем это Кондо-подобным фононным рассеянием», — говорит Маттиас Икеда.

Должный к кристаллической структуре, атом в клетке клатрата вибрирует преференциально в 2 специфических направлениях. «Когда приходит тепловая волна, она может—на короткое время—войти в своего рода связанное состояние с такой вибрацией. Тепловая волна изменяет направление колебаний атома в клетке клатрата», — говорит Силке Бюлер-пашен. «Этот процесс замедляет тепловую волну, и поэтому теплопроводность уменьшается. Даже если клатраты дирижируют электричество, они хорошие термальные изоляторы.»

Лучший материал для термоэлектриков

Это именно то сочетание свойств материала, которое необходимо для использования термоэлектрического эффекта в промышленных масштабах. Что-то горячее соединяется с чем-то холодным, используя правильный материал, и поток энергии между ними может быть непосредственно преобразован в электричество. С одной стороны, материал должен проводить электрический ток, но, с одной стороны, он не должен уравновешивать температуры, проводя тепло слишком быстро, иначе эффект больше не может быть использован.

«Проект был очень трудоемким, в дополнение к многочисленным экспериментам, необходимо было разработать обширное компьютерное моделирование, чтобы понять квантовые физические процессы, стоящие за этим эффектом», — говорит Силке Бюлер-пашен. «Но оно того стоило: с нашей концепцией Кондо-подобного рассеяния фононов теперь гораздо легче понять поведение клатратов, и поэтому мы можем работать более целенаправленно, чтобы найти наиболее эффективные материалы для термоэлектрических применений.»

Источник информации: https://phys.org/news/2019-02-how-to-freeze-heat-conduction.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...