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。
の研究者 米国標準技術局 （NIST）は、もし完璧であれば熱を電気に変換できる新しい装置を設計した。この技術は 無駄な熱エネルギーを回収する可能性 米国では、年間およそ100億ドルという驚くべき割合で浪費されていると推定されています。
クリス・バートネスこの技術は、NISTの研究者と彼女のチームが考案したものです。この技術では、シリコンウエハーの上に何千もの微細な窒化ガリウムの柱を堆積させます。その後、シリコンはウエハーの裏側から層ごとに剥がされ、薄いシートだけが残ります。柱とシリコンシートの相互作用により、より多くの熱が電流に変換される可能性があります。 熱を遅らせる 材料に転写します。
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 ゼーベックは、NIST とコロラド大学の共同研究の基盤となった特異な動作に最初に気づいた人物です。1820 年代初頭、ゼーベックは両端で接続された XNUMX 本のさまざまな組成の金属線で形成されたループを調査し始めました。彼は、金属線を固定している XNUMX つの接合部の温度が変化すると、近くにあるコンパスの針が振れることに気付きました。
他の研究者は、2つの領域の温度差により電圧が発生した そして、電流が流れて偏向を引き起こしました。電流によって生成された磁場によって、コンパスの針が方向を変えました。
その ゼーベック効果熱を電気に変換するというこの方法は、理論上は、無駄になるはずだった熱エネルギーを再利用するための最良の方法かもしれない。しかし、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。
マフムード・フセイン コロラド大学のバートネス教授は、熱電変換の物理学に関する研究中に、これらの特性がナノピラーで覆われた薄い膜で分離できることを発見しました。ナノピラーとは、長さが数百万分の1メートル、つまり人間の髪の毛の約10分の1の太さの柱状の物質です。この発見が、チームとバートネス氏にこの技術に取り組むきっかけを与えました。
ナノピラーの助けを借りて、バートネス、フセイン、そして彼らの同僚たちは、 シリコンシートの熱伝導率と電気伝導率を切り離すこれはあらゆる材料にとって初めての試みであり、効率的な熱から電気への変換を可能にするための重要な一歩です。
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。
この相互作用は フォノン 振動により移動するフォノンが遅くなり、熱が材料を通過しにくくなります。その結果、熱伝導率が低下し、端から端までの温度差が増加します。この間、シリコンシートの電気伝導率は変化しません。
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
