不浪费,希望不是

现代设备浪费大量的能量以热能的形式,噪音和振动。詹姆斯·米切尔乌鸦研究一种新型的能量收集材料,可以夺回一些

1961年6月29日清晨,一个羽翼未丰的技术是扔到空间。在当地时间00:19,托尔火箭升空来自美国卡纳维拉尔角空军基地、运送一个适当大小的卫星进入太空。卫星,称为交通4,加入了其他几个人,环绕地球形成了世界上第一个卫星导航系统,为美国海军开发的。交通导航系统继续运行,直到1996年,那时它已经被今天的更精确的全球定位系统(GPS)。

4交通是第一个宇宙飞船拥有一种新的电力系统,称为放射性同位素热电发生器(轮胎式龙门吊)。这种发电系统是建立在一个热电材料,财产的产生一个电压时温度梯度。4交通,一边缓慢衰减的热电材料加热块的钚- 238,而另一边是冷却的冷却的空间。

今天的卫星仍然经常使用轮胎式龙门吊技术,尤其是那些注定的外到达太阳系,离太阳太远依靠太阳能电池板的权力。美国宇航局卡西尼号土星和它的卫星卫星目前正在研究使用轮胎式龙门吊的力量。

50年来交通4第一次眨了眨眼睛步入我们的生活,你可能期望这样一个听起来很有用的材料发现广泛使用。不仅仅因为它听起来像完美的东西来重温过去的大量的能量以热能的形式浪费今天的技术,从汽车引擎计算机芯片。能源费用将会下降,汽车将进一步旅行在相同数量的燃料,你的笔记本电脑电池将持续更长的时间,同时减少碳排放。

逃离的利基

尽管这一承诺,热电材料继续仅限于利基应用程序。麻烦的是,今天的热电材料不捕获热量充分具有成本效益的能源收集应用程序——他们的效率,表示为一个品质因数(zT型),太低了。

但是新一波的研究可以改变这一切?提高zT型的关键是操纵热量的方式是通过材料转移。热电装置工作,因为电子,和他们相反电荷载体,带正电荷的“空穴”,倾向于从热到冷端半导体材料。诀窍在于夫妇一个n型半导体,电荷载体是电子- p型半导体,电荷载体是穴。通过连接两个铜连杆一端和另一个电路,电流将流过沿着温度梯度材料。

为了使这个过程有效,材料必须导电但传热差,否则温度梯度丢失和当前停止流动。热不只是通过电荷载体的结构,而且在材料的晶格振动称为声子,正是这些科学家们发现新的方法来块。

将纳米

诀窍是在奈米结构。在1990年代,热电技术研究是新兴的一系列新的理论模型。这些预测,将纳米特性引入热电材料可能会扰乱流的声子散射,同时避免散射电子。betway必威游戏下载大全这些模型预测的改进热电设备终于实现。

的一个团队在这项技术的前沿是由杰夫·斯奈德在帕萨迪纳市加州理工学院(加州理工学院),我们。我们一直在研究方法,使复合材料的热电材料与纳米尺寸沉淀或薄片,”斯奈德说。斯奈德的团队已经找到了一种方法来控制碲化银纳米粒子的形成50 - 200 nm大小在碲化铅的大块样品,一个领先的热电材料。这些材料在500左右的zT型?C -一个很好的从汽车尾气温度获取能量,例如(见“车载改革”,p40)是当前最先进的半导体碲化铅的两倍。¹

纳米尺度的另一端,施耐德也一直看着水晶材料由特别大的重复单元的细胞,它可以有尺寸的纳米或更多——更多传统材料的两倍左右。然而,最好的方法可能是将一系列不同大小的纳米结构。声子流在一系列不同的波段,每个分散最好由一个特别尺寸的纳米结构的范围和更广泛的声子散射,材料的性能越好。

“这些材料相结合是一个逻辑大道”,斯奈德说。的大单位细胞的长度范围是1纳米,小纳米粒子大约10 nm,和大的纳米颗粒是大约100海里,也许有他们三个将会有效散射声子。这当然是我们正在调查的东西,”他说。

《连线》杂志对权力

另一种破坏范围广泛的声子的方法是热电材料纳米线生长。吉姆·希斯加州理工学院的小组已经表明,即使硅,一个贫穷的热电材料散装形式由于其高导热性,成为一个好的热电卷入薄的纳米线。所有声子超过一定波长——截止由纳米线的宽度,将分散。

然而,使用纳米线在热电装置提出了某些问题——他们这么小的接触面积,他们很难融入一个设备,同时他们也脆弱。此外,只有到目前为止,你可以缩小这些纳米结构在电子和声子开始分散。

使热电成薄膜,而不是纳米线可能是解决这些问题的最好办法,希斯和他的团队最近显示。去年,该集团展示了如何做一个“nanomesh”——硅薄膜的纳米尺寸孔的一个数组。这些漏洞必须被纳入材料的振动模式,”斯洛博丹·Mitrovic说,希斯的研究小组的成员。这改变了硅可以首先创建声子振动。事实证明,他们是比在普通硅慢得多。的放缓声子导热系数的材料减少了约10倍。²

硅nanomesh仅仅是个开始,说团队——一个原理的证明。既然我们已经表明我们可以减缓声子,”希斯说,“谁说我们不能慢下来很多吧?的团队正在寻找适用于同样的方法来降低热导率在硅锗合金材料,不像纯硅,有良好的热电性能。

与此同时,一个团队在阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室,我们已经表明,这种方法可以在500纳米厚的材料³使用薄膜,对于某些应用程序,也可以是一个优势Mitrovic说。的薄膜更容易集成芯片等电子产品。举个例子,如果你看看电脑处理器性能最大的瓶颈,它不是使芯片架构的密度,它消散,他们产生的热能。

良好的振动

虽然热是一个计算机芯片的主要能量损失,其他技术在噪音和振动能量散失。另一个家庭的材料,称为压电体,能够吸收能量并将其转换为电能——但是,他们一直缺乏效率。

压电材料是水晶材料与一个不寻常的属性——重复单位细胞构成晶体不是中心对称的。尽管这种不对称,安排的阴离子和阳离子,使细胞意味着他们的指控都消掉了。总的来说,材料是卸货,直到晶体挤压或拉伸。当这种情况发生时,电荷相反的离子是对齐的退出,所以不再取消,产生一个电压。

至于热电材料,开始产生大量有用的电能的关键从这些材料是纳米。真正的先锋领域之一是Zhong Lin (ZL)王在亚特兰大,乔治亚理工学院的我们。“早在2005年,我正在nanodevices如纳米传感器。这些小设备总是需要电力驱动他们——这意味着使用一个大电池,所以设备不再nano。我们决定去看看我们是否能够从环境中获取能量。”

王决定专注于收获机械能总是围绕着我们,空气流动的声音的声音,振动引起的人走来走去。收集这种形式的能源,压电纳米线将是完美的,王意识到。“任何微小的运动能够引发纳米线的机械变形,产生一个电压。

王的最初尝试氧化锌压电纳米线能够产生几毫伏,但他最新的纳米线阵列可以生成一个输出3伏,所以已经开始变得有用。我们可以使用这个输出,不断驱动计算器液晶显示器,”他说。另外,纳米传感器设备区域的第一个王领导可以储存这种力量在“待机”模式中,然后使用它来无线传输他们收集的数据在“活跃”模式。⁴

推动了

王的研究小组正在寻找进一步提高功率输出的压电纳米线,和一个很有前景的大道可以使纳米线甚至更瘦。霍雷肖Espinosa在埃文斯顿的西北大学,我们最近的压电系数计算出纳米线可以增加一到两个数量级,如果电线从他们当前的100 nm左右直径缩小到一个纳米。⁵

另一种可能是生长纳米线材料与压电效应更强,说金相宇韩国水原韩国成均馆大学的朝鲜。随着来自三星的先进技术研究院的同事在京畿道,金正日最近展示了一种氧化锌纳米线专门采集环境噪声能量的装置。⁶“我们相信我们可以实现更高效的sound-driven王中林教授代替氧化锌纳米线的纳米材料,压电系数更高,”金说。团队设想许多潜在的应用,从能够在通话期间充电的手机,附近的隔音墙的道路从通过过往车辆发出的声音发电。

王也开始致力于商业应用的材料。然而,估计需要多长时间等设备进入市场是困难的,斯奈德说,因为它取决于需要多长时间的行业成为坚信他们的优点,并投资于基础设施的大规模生产。今天如果你问我你一个热电模块构建,约10 - 100美元[?6-60百万)。但是我刚从会议回来,据估计,废热回收系统成本数千美元的汽车将会为一个系统,基于当今最先进的碲化铅设备。”

看看如何低成本复杂的电脑已经下降,斯奈德补充道。我不知道如何使电脑便宜一样——我不能让你一台电脑以500美元的价格。”

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于自由科学作家在墨尔本,澳大利亚