Атомы, содержащиеся в клетках кристаллов, производят электричество
Клатраты – это кристаллы, состоящие из крошечных клеток, в которых могут содержаться отдельные атомы. Эти атомы значительно изменяют свойства материала, из которого состоит кристалл. Вылавливая атомы церия из клатрата, ученые из Венского технологического университета создали материал, у которого чрезвычайно сильные термоэлектрические свойства.
Много энергии тратится впустую, когда работающие механизмы выделяют тепло в окружающую среду. Некоторое количество этой тепловой энергии может быть собрано с использованием термоэлетрических материалов: они создают электрический ток на стыке горячих и холодных объектов. В Венском технологическом университете теперь есть возможность производить новый и значительно более эффективный класс термоэлектрических материалов. Именно особенная кристаллическая структура данного материала обеспечивает поразительный физический эффект, благодаря бесчисленным крошечным клеткам внутри кристалла, в которых заключены атомы церия. Эти магнитные атомы постоянно бьются о стенки клеток, и эти столкновения отвечают за исключительно благоприятные свойства материала.
Клетки церия из зеркальной печи
«Клатраты» - это технический термин для кристаллов, в которых атомы-хозяева заключены в пространства, похожие на клетки. «Эти клатраты показывают замечательные тепловые свойства», - говорит профессор Силке Бюлер-Пашен (Silke Bühler-Paschen). Точное поведение материала зависит от взаимодействия между атомами и клетками, окружающими их. «У нас появилась идея ловить эти атомы, так как из-за их магнитных свойств возможны интересные виды взаимодействия», - объясняет Бюлер-Пашен.
В течение долгого времени эта задача казалась неразрешимой. Все предыдущие попытки внедрить магнитные атомы, такие как редкоземельный металл церий, в клатратную структуру не удавались. С помощью сложной техники выращивания кристаллов в зеркальной печи, профессор Андрей Прокофьев наконец преуспел в создании клатратов, изготовленных из бария, кремния и золота с инкапсулированием отдельных атомов церия.
Разность температур рождает электричество
Термоэлектрические свойства нового материала успешно прошли испытания. Термоэлектрические приборы работают, когда они соединяют что-то горячим с чем-то холодным: «Тепловое движение электронов в материале зависит от температуры, - объясняет Бюлер-Пашен. – На горячей стороне теплового движения больше, чем на холодной, так что электроны распространяются в сторону более холодной области. Таким образом, напряжение создается между двумя сторонами термоэлектрического материала».
Эксперименты показывают, что атомы церия увеличивают термоэлектрическую силу материала на 50%, поэтому можно добиться гораздо более высокого напряжения. Кроме того, у клатратов очень низкая теплопроводность. Это важно, потому что иначе температура по обеим сторонам будет уравновешиваться, и напряжение исчезнет.
Самый горячий в мире эффект Кондо
«Причина удивительно хороших свойств материала, кажется, лежит в особом виде корреляции между электронами - так называемом эффекте Кондо», - полагает Бюлер-Пашен. Электроны атома церия квантово-механически связаны с атомами кристалла. На самом деле, эффект Кондо известен из физики низких температур, близких к абсолютному нулю температуры. Но удивительно, что эти квантово-механические корреляции также играют важную роль в новых клатратных материалах, даже при температуре, равной сотне градусов Цельсия.
«Столкновение атомов в клетках становится сильнее с увеличением температуры, - говорит Бюлер-Пашен. – Эти столкновения стабилизируют эффект Кондо при высоких температурах. Вследствие чего мы можем наблюдать самый горячий эффект Кондо в мире».
Дополнительные исследования для получения лучших и более дешёвых клатратов
Исследовательская группа Венского университета сейчас пытается достичь этого эффекта с помощью разных видов клатратов. Для того чтобы сделать материал коммерчески более привлекательным, дорогое золото можно заменить другими металлами, например, медью. Вместо церия можно также использовать более дешевую смесь из редкоземельных элементов. Ученые надеются, что такая структура клатратов может быть применима в технологиях будущего, чтобы превращать вторичное тепло в ценную электроэнергию.
Данные исследования представлены в журнале Nature Materials.
По материалам пресс-релиза Венского университета
Анастасия Полянская nauka21vek.ru