Atklājumi.lv

Krātiņos ieslodzīti 'graboši' atomi ražos elektrību

Dažādu mašīnu detaļas to darbošanās laikā berzes spēka ietekmē neizbēgami uzkarst, taču šī enerģija parasti tiek iztērēta bez lietderīgā darba atdeves, siltumam nevajadzīgi izdaloties apkārtējā vidē. Daļu no radušās enerģijas varētu savākt, izmantojot termoelektriskus materiālus, kuros, ja tie savieno karstus un aukstus objektus, sāk plūst elektriskā strāva. Šobrīd Vīnes Tehnoloģiju universitātē (VTU) tiek izstrādāts jauna veida, efektīvāks termoelektriskais materiāls. Inovācijas pamatā ir materiāla specifiskā kristāliskā struktūra, kas apvienota ar jaunu, iepriekš praksē neizmantotu fizikālu efektu – kristāliskajā masā neskaitāmos sīkos krātiņos ieslodzītu atsevišķu atomu nemitīgu aharmonisku vibrāciju jeb "grabēšanu" [1].

Cērija krātiņi no spoguļkrāsns

Ar terminu “klatrāti” apzīmē kristālus, kuros, krātiņiem līdzīgās telpās, ir ieslēgtas citu materiālu molekulas. “Šiem klatrātiem ir teicamas termālās īpašības,” saka VTU profesors Silke Bīlers-Pašens (Silke Bühler-Paschen). Attiecīgās materiāla īpašības ir atkarīgas no ieslēgto atomu un to “krātiņu” savstarpējās mijiedarbības. “Mēs nolēmām iesprostot cērija atomus, jo to magnētiskās īpašības ļāva cerēt, ka šīs mijiedarbības būs īpaši interesantas,” skaidro Bīlers-Pašens.

Ilgu laiku šķita, ka šo mērķi nesasniegsim. Visi mēģinājumi ieslēgt klatrātos tādus magnētiskus atomus kā retzemju metālu cēriju bija neveiksmīgi. Tomēr, izmantojot tādu sarežģītu kristālu audzēšanas tehnoloģiju kā tā saukto spoguļkrāsni, VTU profesoram Andrejam Prokofjevam izdevās izveidot no bārija, silīcija un zelta sastāvošus klatrātus, kuros ieslēgti atsevišķi cērija atomi.

Eksperimentāli pārbaudot jaunā materiāla īpašības noskaidrojās, ka cērija atomi palielina materiāla elektrisko vadītspēju par 50%. Pie tam šiem klatrātiem ir zema termālā vadītspēja, kas arī ir ļoti svarīgi, jo pretējā gadījumā karstā un siltā pola temperatūru starpība ātri izlīdzinātos, elektronu plūsmai apstājoties un, atbilstoši, zūdot spriegumam.

Pasaulē karstākais Kondo efekts

"Izcilās materiāla īpašības, domājams, rodas no īpašas elektrona- elektrona mēroga korelācijas jeb tā sauktā Kondo efekta," uzskata Silke Bīlers-Pašens. Cērija atomi kvantu līmenī ir sasaistīti ar kristāla atomiem. Kondo efekts līdz šim bija zināms no ļoti zemu, absolūtai nullei tuvu temperatūru fizikas jomas, tāpēc tā darbība pat simtiem grādu augstā temperatūrā pēc Celsija skalas zinātniekiem bija negaidīts pārsteigums.

"Temperatūrai pieaugot, krātiņos ieslēgto cērija atomu vibrācija kļūst spēcīgāka," stāsta Bīlers-Pašens. "Šī vibrācija stabilizē Kondo efektu augstās temperatūrās. Savos eksperimentos mēs novērojām pasaulē karstāko Kondo efektu."

Labāku un lētāku klatrātu meklējumos

VTU pētnieku komanda šobrīd turpina eksperimentēt, cenšoties šo pašu efektu panākt ar cita sastāva klatrātiem. Lai materiāla komercializācija kļūtu ekonomiski izdevīga, zelts jāaizvieto ar kādu lētāku materiālu, kā piemēram varu. Arī cērija vietā, pētnieki domā, varētu tikt lietots kādu ne tik dārgu retzemju metālu maisījums. Ja tas izdosies, tad nākotnē elektrībā varētu tikt pārvērsta liela daļa pašlaik neizmantotās industriālās siltuma enerģijas.

Augšējais attēls: VTU publicitātes foto.

Piezīmes:

Par atomu "grabēšanu" (atom rattling) sauc neharmoniskas metālisku vielu atomu vibrācijas, kuras raksturo īpaši plašas oscilācijas, kas izplešās ārpus tā sauktās ekvilibriuma pozīcijas jeb vispārējā līdzsvara stāvokļa, kurā visi darbojošies spēki viens otru neitralizē, izveidojot stabīlu sistēmu.

Avots:

A. Prokofiev, A. Sidorenko, K. Hradil, M. Ikeda, R. Svagera, M. Waas, H. Winkler, K. Neumaier, S. Paschen. Thermopower enhancement by encapsulating cerium in clathrate cages. Nature Materials, 2013; DOI: 10.1038/nmat3756

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.