Vědci z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) vyrobili nový systém, který by mohl výrazně zvýšit účinnost přeměny tepla na elektrickou energii. Kris Bertness a její kolegové připravili strukturu složenou z mikroskopických sloupků nitridu gallia na křemíkové destičce. Interakce mezi sloupci a křemíkovým plátkem zpomaluje přenos tepla v křemíku, což umožňuje přeměnit větší část tepla na elektrický proud.
Jakmile bude výrobní metoda zdokonalena, mohly by být takto zkonstruované křemíkové fólie omotány kolem parních nebo výfukových trubek; takto generovaná elektřina by mohla napájet blízká zařízení nebo být dodávána do elektrické sítě. Možným využitím je ale i chlazení počítačových čipů.
Studie NIST a Coloradské univerzity vychází z již dávno známého Seebeckova jevu (varianta termoelektrického jevu). Německý fyzik Thomas Seebeck na počátku 20. let 19. století zkoumal dva kovové dráty, každý z jiného materiálu, které byly na obou koncích spojeny do smyčky. Pozoroval, že když se oba spoje mezi dráty udržují při různých teplotách, dojde k vychýlení ručičky kompasu, protože mezi oběma konci vznikne elektrické napětí. V ještě jednodušší verzi vzniká elektrické napětí/proud mezi dvěma konci jediné kovové tyčky, udržujeme-li mezi nimi rozdíl teplot.
Pro praktické využití tohoto jevu ovšem existuje problém. Má-li se udržet rozdíl teplot tak, aby mohl vytvářet větší elektrický proud, materiál musí být špatným elektrickým vodičem a zároveň dobrým elektrickým vodičem (aby se energie dala efektivně odvést). Tepelná a elektrická vodivost však obvykle jdou ruku v ruce. Mahmoud Hussein z Coloradské univerzity navrhl proto strukturu s nanosloupky s výškou v miliontinách metru. Tím se obě vlastnosti „oddělí“, elektrická vodivost křemíkového plátu zůstane, tepelná se sníží. Princip má být následující: tepelná energie se v pevných látkách přenáší formou kvazičástic fononů, kolektivních vibrací atomů. Fonony uvnitř nanosloupků mají podobu stojatých vln. Interakce mezi fonony pohybujícími se v křemíkovém plátu a vibracemi v nanosloupcích zpomaluje pohyb tepla, zvyšuje rozdíl teplot mezi konci materiálu a tím i generované elektrické napětí/proud. Naproti tomu na elektrickou vodivost křemíku nanosloupky mít vliv nemají.
Bryan T. Spann et al, Semiconductor Thermal and Electrical Properties Decoupled by Localized Phonon Resonances, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202209779
Zdroj: National Institute of Standards and Technology / Phys.org