クリス・バートネス率いるNISTの研究チームは、熱から電気への新しい変換方法を研究しており、そのための装置を開発しました。この技術が完成すれば、それまで無駄になっていた熱を電気に変換できるようになります。この研究は、ドイツの物理学者トーマス・ゼーベックの発見に基づいています。このチームは、マフムード・フセインによる熱電変換研究の発見も取り入れています。
米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者らは、もし完璧に動作すれば熱を電気に変換できる革新的な装置を設計した。この技術は、米国で年間約100億ドルという途方もない額で無駄にされている熱エネルギーを回収する可能性を秘めている。
NISTの研究者であるクリス・バートネス氏とそのチームがこの技術を開発しました。この技術では、シリコンウェハー上に数千個の微細な窒化ガリウムの柱状構造を堆積させます。その後、ウェハーの裏面からシリコンを層ごとに剥がし、薄いシートだけを残します。柱状構造とシリコンシートの相互作用により、材料内の熱伝導が遅くなるため、より多くの熱が電流に変換される可能性があります。
製造プロセスが開発されれば、シリコンシートを蒸気管や排気管に巻き付けて、熱を電気に変換し、近くの機器に電力を供給したり、送電網に送ったりできるようになるかもしれない。コンピューターチップの冷却も、潜在的な用途の1つである。
ドイツの物理学者トーマス・ゼーベックは、NISTとコロラド大学の共同研究の基礎となった特異な現象に最初に気づいた人物である。1820年代初頭、ゼーベックは、両端で連結された2本の異なる材質の金属線でできたループの調査を開始した。彼は、2本の金属線を繋ぐ接合部の温度が変化すると、近くにある方位磁針の針が振れることに気づいた。
他の研究者たちは、 2つの領域間の温度差によって電圧が発生し、それが電流となって偏向を引き起こしたことを発見した。電流によって生じた磁場が、方位磁針の針の向きを変えたのである。
理論的には、熱を電気に変換するゼーベック効果は、そうでなければ無駄になってしまう熱エネルギーを再利用する最良の方法かもしれない。しかし、そこには大きな障害があった。
温度差を維持するために、材料は低い熱伝導率と高い電気伝導率を持ち、大量の電気エネルギーを生成する必要があります。しかし、ほとんどの材料は電気伝導率と熱伝導率の両方を持ちます。電気伝導率が低いと熱伝導率も低くなり、その逆も同様です。
コロラド大学のマフムード・フセイン氏は、熱電変換の物理学に関する研究の中で、これらの特性をナノピラー（数百万分の1メートル、つまり人間の髪の毛の約10分の1の太さしかない、直立した柱状の物質）で覆われた薄膜で分離できることを発見した。彼の発見は、研究チームとバートネス氏がこの技術に取り組むきっかけとなった。
バートネス氏、フセイン氏、そして彼らの同僚たちは、ナノピラーの助けを借りて、シリコンシートの熱伝導率と電気伝導率を分離することに成功した。これはあらゆる材料において初めてのことであり、効率的な熱電変換を実現するための重要な一歩となる。
研究者たちは、電気伝導性に影響を与えず、ゼーベック効果も変えずに、シリコンシートの熱伝導率を21%削減することに成功した。
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原子は結合によって互いに結び付けられており、自由に動いてシリコンやその他の材料の熱を伝導することはできません。その結果、熱エネルギーの動きは、原子全体の振動であるフォノンの動きとして現れます。シリコンシートと窒化ガリウムナノピラーの両方がフォノンを運びますが、ナノピラー内のフォノンは、小さな柱の壁によって両端が静止している定在波です。
フォノンと振動の相互作用により、フォノンの伝播速度が遅くなり、熱が材料を通過しにくくなる。その結果、熱伝導率が低下し、両端の温度差が大きくなる。この間、シリコンシートの電気伝導率は変化しない。
現在、チームはシリコン構造のみに取り組んでおり、熱電熱回収のためのより優れた形状を追求しています。彼らは、熱を電気に変換する高い速度を実証できると期待しています。この変換速度により、この技術が業界にとって経済的に実行可能になることが保証されます。
出典：NISTプレスリリース
