Tokyo Bilim Enstitüsü’nden araştırmacılar, atomik düzeyde ince bir film gibi davranan ancak daha pratik, katı kristal formunda bulunan yeni bir ısıdan elektrik enerjisi üreten malzeme geliştirmişlerdir.
Laboratuvar ortamının dışına taşındığında, bu tür malzemeler atık ısı enerjisinin geri kazanılması için yeni nesil malzemelerin tasarlanmasında kullanılabilir.
Bu özelliğe “termal elektrik” denir, yani iki tarafı arasındaki sıcaklık farkından elektrik üretme yeteneğidir. Bu özellik, fabrika egzozları, araç motorları, enerji santralleri ve fırınlar gibi uygulamalar için ideal hale getirir.
Bu tür malzemelerin etkili olması için, görünüşte çelişen iki özelliğe sahip olmaları gerekir. İlk olarak, elektrik yüklerinin malzemenin içinden kolayca hareket edebilmesi gerekir.
İkinci olarak, aynı zamanda ısıyı da iyi iletmeyen (iyi bir yalıtkan) olması gerekir, böylece sıcaklık farkı hemen ortadan kalkmaz.
Isıdan Elektrik Üretimi
Karşılaşılan sorun, çoğu elektriksel iletken malzemenin aynı zamanda ısıyı da iyi ilettiğidir. Bu durum, sıcak ve soğuk yüzeylerin hızla eşitlenmesine neden olarak elektrik üretimini zayıflatır.
Bu sorunu çözmek için, araştırmacı ekibi talyum, demir ve selenyum karışımından oluşan TlFe₁.₆Se₂ adlı bir malzemeye yöneldi. Bu malzemenin iç yapısı, katmanlı bir sandviç gibi görünmektedir.
Bu yapı, tekrar tekrar yerleştirilmiş çok ince demir selenyum (FeSe) katmanlarından oluşur ve bu katmanlar, çok daha büyük üç boyutlu bir kristal içinde bulunmaktadır.
Bu önemlidir çünkü atomik düzeyde ince FeSe filmlerinin, termal elektrik üretimi için sıra dışı derecede iyi elektriksel özelliklere sahip olduğu bilinmektedir. Ancak, birkaç atom kalınlığındaki filmlerin üretilmesi, kullanılması ve gerçek makinelerde entegre edilmesi zordur.
Araştırmacılar, bunun nedenini, atomik düzeydeki titreşimler adı verilen “fononlar” aracılığıyla ısı transferinin sınırlanması olarak açıklamaktadır. Referans olarak, eğer kristaller mükemmel derecede düzenli olsaydı, bu titreşimler kolayca hareket edebilirdi.
Daha Fazla Çalışma Gerekli
Ancak, düzensizlikler nedeniyle bu fononlar dağılır, atomik bağlar bozulur ve tüm yapı değişir, böylece ısı kolayca iletilemez.
Sonuç olarak, yaklaşık 356°F (180°C) sıcaklıkta çok düşük bir termal iletkenliğe (yaklaşık 0,2 watt/metre-kelvin) sahip olunur. Pratik olarak, bu malzeme neredeyse bir termal yalıtkan gibi davranırken aynı zamanda elektrik üretimi de yapar; bu oldukça önemli bir başarıdır.
Pratik uygulamalar söz konusu olduğunda, çalışma sadece laboratuvar ortamında kanıtlanmıştır. Gerçek elektrik üretiminde kullanılması için, araştırmacıların genel dönüşüm verimliliği gibi engelleri aşmaları gerekmektedir.
Uzun süreli stabilite, maliyet ve ölçeklenebilirlik, güç, gerçek endüstriyel ortamlardaki performans gibi konular da ele alınmalıdır. Talyumun varlığı ayrıca, yüksek toksisitesi nedeniyle güvenlik ve muhafaza sorunları yaratmaktadır.
“Bu çalışma, düşük boyutlu malzemelerin işlevselliğinin toplu kristallerin içine yerleştirildiği yeni bir tasarım konseptinin etkinliğini göstermektedir,” dedi, çalışmanın baş araştırmacısı olan Tokyo Bilim Enstitüsü Malzeme ve Yapılar Laboratuvarı’ndan Profesör Takayoshi Katase.
“Sonuçlar, geleneksel elektriksel ve termal iletim özellikleri arasındaki dengeyi aşan yeni nesil termal elektrik malzemelerinin geliştirilmesi için umut verici bir yol sunmaktadır,” diye ekledi.
Çalışma Journal of Materials Chemistry A dergisinde yayınlanmıştır.
Kaynak: Interesting Engineering