Os físicos descobriram um novo efeito, o que permite criar excelentes isolantes térmicos que conduzem eletricidade. Esses materiais podem ser usados ​​para converter calor residual em energia elétrica.

Todos os dias perdemos energia valiosa na forma de calor residual - em dispositivos técnicos em casa, mas também em grandes sistemas de energia. Parte dela poderia ser recuperada com a ajuda do "efeito termoelétrico". O fluxo de calor de um dispositivo quente para o ambiente frio pode ser convertido diretamente em energia elétrica. Para conseguir isso, Contudo, são necessários materiais com propriedades muito especiais. Eles têm que ser bons condutores elétricos, mas maus condutores térmicos - dois requisitos difíceis de conciliar.

Pesquisadores de todo o mundo procuram esses materiais. Certos materiais com uma estrutura semelhante a uma gaiola provaram ser particularmente promissores, por exemplo, clatratos, que são estudados na TU Wien. Agora, após elaboradas investigações, um efeito notável foi demonstrado, o que pode explicar a condutividade térmica particularmente baixa desses materiais.

Células de prisão para átomos

"Os clatratos são cristais com uma estrutura muito especial, "explica o professor Silke Bühler-Paschen, do Instituto de Física do Estado Sólido da Universidade de Tecnologia de Viena." Sua estrutura de cristal contém minúsculas gaiolas nas quais átomos individuais estão presos. Esses átomos podem oscilar para frente e para trás em sua única célula, sem ver muito do resto do cristal. "

O calor em um sólido está presente na forma de vibrações de seus átomos. Quando um cristal é aquecido, as vibrações ficam mais fortes até, em algum ponto, as ligações entre os átomos são quebradas e o cristal derrete. "Existem dois tipos de vibrações, "diz Silke Bühler-Paschen." Se os átomos vizinhos estão fortemente ligados, então, a vibração de um átomo pode ser transferida diretamente para seus vizinhos e uma onda de calor se espalha pelo material. Quanto mais forte o acoplamento entre os átomos, quanto mais rápida a propagação da onda e maior a condução de calor. Contudo, se um átomo está apenas muito fracamente ligado a seus vizinhos, assim como o átomo sentado na gaiola de clatrato, então ele é amplamente independente dos outros e a onda de calor é extremamente lenta. "

Novo efeito:a dispersão de fônons tipo Kondo

Como parte de sua dissertação com Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda descobriu que é devido a uma certa interação entre esses dois tipos de onda de calor que os clatratos são tão bons isolantes térmicos. Matthias Ikeda realizou medições precisas e extensas. Série de cristais, cada um com propriedades ligeiramente diferentes, foram produzidos na TU Wien e cuidadosamente medidos. "No fim, fomos capazes de provar o que ninguém queria acreditar em nós a princípio:há um efeito físico até então desconhecido que suprime a condutividade térmica - nós o chamamos de espalhamento de fônon semelhante a Kondo, "diz Matthias Ikeda.

Devido à estrutura cristalina, um átomo na gaiola de clatrato vibra preferencialmente em duas direções específicas. "Quando chega uma onda de calor, ele pode - por um curto período de tempo - entrar em uma espécie de estado limitado com tal vibração. A onda de calor muda a direção de oscilação do átomo na gaiola de clatrato, "diz Silke Bühler-Paschen." Este processo retarda a onda de calor, e assim a condutividade do calor é diminuída. Mesmo que os clatratos conduzam eletricidade, são bons isolantes térmicos. "

Melhor material para termelétricas

Esta é exatamente a combinação de propriedades do material necessária para o aproveitamento do efeito termoelétrico em escala industrial. Algo quente está conectado a algo frio usando o material certo, e o fluxo de energia intermediário pode ser convertido diretamente em eletricidade. Por um lado, o material deve conduzir corrente elétrica, mas por um lado, não deve equilibrar as temperaturas conduzindo o calor muito rapidamente, caso contrário, o efeito não pode mais ser usado.

"O projeto consumia muito tempo, além de vários experimentos, extensas simulações de computador tiveram que ser desenvolvidas para entender os processos físicos quânticos por trás desse efeito, "diz Silke Bühler-Paschen." Mas valeu a pena:com nosso conceito de dispersão de fônons semelhante ao Kondo, agora é muito mais fácil entender o comportamento dos clatratos e, portanto, podemos trabalhar com mais determinação para encontrar os materiais mais eficientes para aplicações termoelétricas. "