Tehokkaampaa lämpösähköisyyttä

Häkkimäisiä metalliyhdisteitä, joita kutsutaan klatraateiksi, on mahdollista käyttää lämpösähköisinä aineina hukkalämmön keruuseen ja sähköiksi muuntamiseen, koska niillä on taipumus sekä hyvään sähkönjohtavuuteen että heikkoon lämmönjohtavuuteen.

Kalifornian Davis -yliopiston kemistit ovat löytäneet kokonaan uuden luokan klatraatteja, mikä mahdollisesti avaa uusia tapoja tehdä ja soveltaa näitä materiaaleja.

Klatraatti on kehysyhdiste, jossa vierasatomit ovat loukkuuntuneet ylisuuriin häkkirakenteisiin. Suhteellisen suuri häkki mahdollistaa atomin ravistella kaltereitaan mikä tarkoittaa, että klatraatit johtavat lämpöä huonosti.

Tähän mennessä, kaikki tunnetut klatraatit ovat perustuneet rakenteeseen, jossa häkkiatomi on sitoutunut neljään muuhun atomiin.

Nyt University of California, Davisin ryhmä on tuottanut ja karakterisoinut vakaita klatraatteja atomeilla, joilla on viisi, kuusi tai useampia sidoksia. Tämä tekee häkeistä suurempia, viritettäviä ja teknologisesti mielenkiintoisempia.

Nämä uudenlaiset materiaalit tarjoavat mahdollisuuksia luoda parempia termosähköisiä tai muita funktionaalisia materiaaleja. Suuremmat häkit antavat atomien liikkua vapaammin, rajoittaen sitä miten lämpö virtaa.

Lawrence Berkeley National Laboratoryn (Berkeley Lab) tutkijat ovat puolestaan löytäneet samantyyppisiä kollektiivisia ravistuspiirteitä materiaaliluokassa, joka tunnetaan halogenidi perovskiitteinä.

Nämä lämpösähköiset ominaisuudet löytyivät cesium-tina-jodidin (CsSnI3) nanomittakaavan langoista. Materiaalilla havaittiin olevan yksi alhaisimmista lämmönjohtavuustasoista materiaaleissa, joilla on jatkuva kiteinen rakenne.

Tätä niin sanottua yksikidemateriaalia voidaan myös tuottaa helpommin suuria määriä kuin tyypillisiä lämpösähköisiä materiaaleja, kuten pii-germaniumia, kertovat tutkijat.

Tutkijoiden mukaan ominaisuudet ovat peräisin itse kiderakenteesta. Materiaalin kiderakenteessa atomien välinen etäisyys kutistuu ja kasvaa kollektiivisesti, mikä estää lämmön kulkua.

Mutta koska materiaali koostuu järjestäytyneestä, yksikiteisestä rakenteesta, sähkövirta voi silti kulkea sen läpi tästä kollektiivisesta ravistelusta huolimatta.

Tutkiijoiden mukaan kaksi suurta sovellusta lämpöenergiamateriaaleilla ovat jäähdytyksessä ja muuntaa lämpöä sähkövirraksi. Tämä nimenomainen cesium-tinijodidi materiaali osalta jäähdytyssovellukset, kuten päällystys, joka auttaisi jäähdyttämään elektronisia kameran antureita, saattavat olla helpommin saavutettavissa kuin lämpö-sähköksi muuntaminen.

Haasteena on, että materiaali on erittäin reaktiivinen ilman ja veden kanssa, joten se vaatii suojapinnoitteen tai kapseloinnin.