Lämmönjohtavuus ja tunnelointi

Tutkijat selvittävät, miksi täydellinen kide ei ole hyvä lämmönjohteena, vaikka sen näennäisesti pitäisi olla.

Kiinteä kiteinen BaTiS3 (barium-titaanisulfidi) on huono johtamaan lämpöä ja käy ilmi, että syyllinen on itsepäinen titaaniatomi, joka esiintyy kahdessa paikassa samanaikaisesti.

Caltechin (USC) ja Oak Ridgen kansallisen laboratorion (ORNL) tutkijoiden tekemä löytö tarjoaa perustavanlaatuisen atomitason kuvan epätavallisesta lämpöominaisuudesta, joka on havaittu useissa materiaaleissa.

Työ kiinnostaa erityisesti tutkijoita, jotka tutkivat heikon lämmönjohtavuuden omaavien kiteisten kiintoaineiden mahdollista käyttöä lämpösähköisissä sovelluksissa, joissa lämpö muuttuu suoraan sähköenergiaksi ja päinvastoin.

Tutkimuksen edetessä havaittiin, että titaaniatomi on BaTiS3-kiteessä ns. kaksoiskaivopotentiaalissa. Tällaisessa järjestelmässä atomilla on perustila ja viritetty tila, joiden välillä se atomivärähtelyjä absorboiden siirtyy viritystilaan ja sitten heti takaisin perustilaan. Absorboitu energia emittoituu värähtelyn muodossa ja satunnaisessa suunnassa. Tällainen värähtelyjen absorboinnin ja emissioiden kokonaisvaikutus on, että energia pikemminkin siroaa kuin siirtyy puhtaasti.

Kaksitasoiset järjestelmät ovat jo kauan olleet tiedossa, mutta tämä on ensimmäinen suora havainto sellaisesta, joka riitti häiritsemään lämmönjohtumista yksikiteisessä materiaalissa laajennetulla lämpötila-alueella 50–500 kelviniä.

Tutkijat ryhtyivät tutkimaan aihetta kvanttilaskelmien avulla. Se paljasti, että jos kaivojen välinen este on riittävän pieni, niin suuritaajuinen tunnelointi on todellakin mahdollista ja sen pitäisi johtaa vahvaan fononin sirontaan ja siten lasimaisen huonoon lämmönjohtavuuteen", toteaa ORNL-tutkija Michael Manley.

Tavanomainen lähestymistapa alhaisen lämmönjohtavuuden materiaalien luomiseen on tuottaa niihin paljon vikoja, mikä on kuitenkin haitallista myös muille ominaisuuksille, kuten sähkönjohtavuudelle.

Joten ryhmä aikoo seuraavaksi tutkia, onko löytyykö ilmiö myös muista materiaaleista, jotta löytyisi tie huonosti lämpöä johtaviin mutta sähköisiltä tai optisilta ominaisuuksilta sopivaan materiaaliin.

Aiheeseen liittyen Jyväskylän ammattikorkeakoulussa käynnistellään Euroopan aluekehitysrahaston rahoittama hanke LäSä - Lämpösähköiset ratkaisut energiatehokkuuden lisääjinä.

Projektin tavoitteena on edistää uusiin materiaaleihin perustuvien lämpösähköistä ilmiötä hyödyntävien sovellusten synnyttämistä. Hankkeessa perehdytään lämpösähköiseen ilmiöön perustuvien ratkaisujen viimeisimpiin kehitysaskeleisiin ja haetaan niistä soveltamismahdollisuuksia.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampaa termosähköä

Tehokkaampi lämpösähköinen materiaali