فیزیکدانان یک ماده ترموالکتریک جدید با کارایی بالا کشف کردند

محققان دانشگاه هیوستون نوعی ماده ترموالکتریک با کارایی بالا با استفاده از ترکیب منیزیم، نقره و مقدار کمی نیکل کشف کرده اند. فیزیکدانان دانشگاه هیوستون نوعی ماده جدید ترموالکتریک کشف کرده اند که عملکرد بالایی در دماهای مختلف از دمای اتاق تا دمای بالای ۳۰۰ درجه سانتیگراد (یا در حدود ۵۷۳ درجه فارنهایت) دارد.
پروفسور Zhifeng Ren, M.D. Anderson، صاحب کرسی فیزیک در دانشگاه هیوستون و نویسنده مسئول مقاله منتشرشده درباره این کشف در نشریه Nano Energy گفت:

این ماده جدید از ماده های قدیمی مثل تلورید بیسموت بهتر است و می تواند در تبدیل ضایعات حرارتی به الکتریسیته بسیار کارآمدتر عمل کند.

پروفسور رن که محقق اصلی مرکز ابررسانایی تگزاس در دانشگاه هیوستون هم می باشد، افزود:

نتایج این تحقیق می تواند در حوزه پژوهش های انرژی پاک و تجاری سازی دماهایی در حدود ۳۰۰ درجه سانتیگراد بسیار مهم باشد.

از سال ۱۹۵۰ تلورید بیسموت ماده ترموالکتریک استاندارد محسوب می شود و در درجه اول برای خنک کنندگی استفاده می شود؛ اگرچه از این ماده می توان برای تولید انرژی در دماهای بالای ۲۵۰ درجه سانتیگراد – البته با بهره وری محدود – هم استفاده کرد. برای این کشف پروفسور رن و سایر همکارانش از ترکیب منیزیم، نقره و آنتیموان برای تولید الکتریسیته از گرما با استفاده از اصول ترموالکتریک استفاده کرده اند. این محققان به این ترکیب مقداری نیکل هم اضافه کردند که به گفته رن باعث عملکرد بهتر ترکیب شده است.

ماده ترموالکتریک ایجاد شده در آزمایشگاه ، بهره وری بالایی دارد و می تواند در پروژه های مختلف صنعتی به کار رود

این تحقیق با همکاری محققان گروه شیمی دانشگاه هیوستون و انستیتوی تکنولوژی ماساچوست انجام شده است. اولین همکارهای دکتر رن در این تحقیق Huaizhou Zhao و Jiehe Sui بودند که از اعضای آزمایشگاه رن در موسسه تکنولوژی هاربین در چین هستند. به گفته پروفسور رن این ماده ترموالکتریک تا دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد به خوبی کار می کند و تحقیقات برای بهبود کارایی و بهره وری آن همچنان ادامه دارد.
امکان بالقوه برای جذب گرما – از نیروگاه ها، دودکش های صنعتی و حتی دودکش های وسایل نقلیه – و تبدیل آن به الکتریسته بسیار زیاد است که امکان تبدیل گرمایی که اکنون به هدر می رود را به انرژی را به ما می دهد. طبق اظهارات پروفسور رن، محدوده دمایی در زمینه تولید انرژی از ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد متغیر است و تاکنون، ماده ترموالکتریک که قادر به فعالیت در چنین شرایطی باشد تنها در سطوح پایین این محدوده مشاهده شده است. بخش عمده از تقاضا هم در محدوده ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد متمرکز شده است.
پروفسور رن بیش از هر زمینه علمی دیگری روی ترموالکتریک ها کار کرده است. گروه تحقیقاتی او در سال ۲۰۰۸ مقاله ای در نشریه journal Science منتشر کرد که برای اولین بار نشان می داد که با تغییر در نحوه پردازش تلورید بیسموت می توان کارایی آن را تا ۲۰ درصد افزایش داد. در آن زمان پروفسور رن در کالج بوستون بود.
علاوه براین آزماشگاه او در تابستان گذشته مقاله ای را در مجموعه مقالات فرهنگستان ملی علوم منتشر کرد که نشان می داد تلورید قلع در ترکیب با عنصر شیمیایی ایندیم به عنوان یک ماده قادر به تبدیل ضایعات حرارتی به الکتریسیته است. اما چون تلورید قلع در دماهای بالای ۳۰۰ درجه ساتیگراد عملکرد بهتری دارد که همین امر یافتن ماده دیگری را که در دماهای پایین تر کارایی داشته باشد را مهم می سازد.
گروه تحقیقاتی رن اولین گروهی نیست که روی کشف ماده های جدیدی که هنوز نامی ندارند کار می کند. اما مقاله ای که در نشریه Nano Energy چاپ شده است نام این ماده را مواد MgAgSb پایه گذاشته اند؛ نامی که از حروف اولیه عناصر تشکیل دهنده این ماده ساخته شده است. در این مقاله آمده است که تحقیق در سال ۲۰۱۲ و با همکاری محمد جواد کیرکهام و دیگران آغاز شده است و در ابتدا از منیزیم، نقره و آنتیموان به نسبت های مساوی استفاده شده است. اما به گفته رن این ترکیب منجر به ناخالصی و خاصیت رسانایی ضعیف ماده شده است.
رن افزود که گروه به این نتیجه رسید که استفاده از کم کردن مقدار ناچیزی نقره و آنتیموان و ترکیب جداگانه عناصر – قرار دادن منیزیم و نقره در فرایند آسیاب گلوله ای و اضافه کردن آنتیموان بعد از چند ساعت – ناخالصی را کاهش می دهد و خواص ترموالکرتیک را هم بهبود می بخشد.
پروفسور رن افزود:

ما کیفیت های مختلفی از این ماده ترموالکتریک را داشتیم که بهترین آنها هیچگونه ناخالصی نداشت، اندازه دانه های آن کوچکتر بود و خواص ترموالکتریکی ان نیز بسیار بهتر بود.

به نظر شما چه کاربرد های دیگری برای این ماده ترموالکتریک پیدا خواهد شد ؟ نظرات خود را با ساختنی در میان بگذارید.

منبع