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Les Scientifiques Découvrent le Comportement Neuf d'un Matériau Électricité-Produisant chez Nanoscale

Published on December 17, 2010 at 12:13 AM

Les Scientifiques ont découvert qu'une classe des matériaux connus de la chaleur de converti à l'électricité et se comportent vice versa bien inopinément au nanoscale en réponse aux changements de la température.

La découverte - décrite pendant le 17 décembre 2010, délivrance de la Science - est un passage de phase neuf de « sens inverse » que les aides expliquent la réaction thermoélectrique intense de ces matériaux. Elle peut également aider des scientifiques à recenser l'autre thermoelectrics utile, et pourrait promouvoir leur application en capturant l'énergie détruite comme chaleur, par exemple, en échappement automobile et d'usine.

Les scientifiques - du Ministère De L'énergie des États-Unis le Laboratoire (DOE) National de Brookhaven, L'Université de Columbia, le Laboratoire National d'Argonne, le Laboratoire National de Los Alamos, l'Université Northwestern, et l'Institut de Technologie Fédéral Suisse - étudiaient des chalcogenides de plomb (plomb appareillé avec du tellurium, le sélénium, ou le soufre) utilisant les techniques expérimentales neuf disponibles et les élans théoriques qui les permettent « voient » et le comportement modèle de différents atomes au nanoscale, ou sur l'ordre des milliardièmes d'un compteur. Avec ces outils ils pouvaient observer les changements subtile des arrangements atomiques invisibles aux sondes conventionnelles de la structure.

Pour comprendre le passage de phase les scientifiques observés, pensent à la réaction quotidienne d'un gaz comme la vapeur se refroidissant pour former l'eau liquide, et puis gelant pour former la glace solide. Dans chaque cas, les atomes subissent une certaine forme de réarrangement structurel, expliquent Simon Billinge, un physicien au Laboratoire de Brookhaven et l'École de l'Université de Columbia du Bureau D'études et la Science Appliquée et un auteur important sur le papier de la Science.

« Parfois, davantage de refroidissement mènera encore d'autres à passages structurels : Les Atomes dans le cristal permutent ou deviennent déplacés pour abaisser la symétrie générale, » Billinge dit. Le développement de telles déformations atomiques localisées lors du refroidissement est normal, il dit. « Ce Qui nous avons découvert dans des chalcogenides de plomb est le comportement opposé : À la température la plus basse, il n'y avait aucun déplacement atomique, rien - mais au réchauffage, les déplacements apparaissent ! »

Les techniques les scientifiques utilisés pour observer cette action atomique de nanoscale étaient des versions de pointe de visibilité de rayon X, facilitées par l'analyse par ordinateur mathématique et des résultats. D'abord les matériaux de plomb ont été effectués sous une forme épurée de poudre à l'Université Northwestern. Alors les scientifiques ont bombardé les échantillons avec deux genres de poutres - rayons X à la Source Avancée de Photon chez Argonne et neutrons au Centre de Diffusion De Neutrons De Lujan chez Los Alamos. Les Détecteurs recueillent des informations au sujet de la façon dont ces poutres dispersent hors de l'échantillon pour produire les diagrammes diffraction qui indiquent des positions et des arrangements des atomes. Davantage d'analyse mathématique et de calcul des données utilisant des programmes informatiques développés chez Brookhaven et Colombie a permis aux scientifiques de modéliser et interpréter ce qui se produisait au niveau atomique sur un domaine des températures.

Le physicien Emil Bozin, le premier auteur de Brookhaven sur le papier, était le premier pour remarquer le comportement impair dans les données, et il a travaillé tenace pour le prouver qu'étaient quelque chose neuve et pas un artefact de données. « Si nous avions juste regardé la structure moyenne, nous n'aurions jamais observé cet effet. Notre analyse des fonctions de répartition atomiques de paires nous donne un avis beaucoup plus local - la distance d'un atome particulier à ses voisins plus proches - plutôt que juste la moyenne, » Bozin dit. L'analyse détaillée a indiqué que, comme réchauffeur obtenu matériel, ces distances changeaient sur une échelle minuscule - environ 0,025 nanomètres - indiquant que les différents atomes devenaient déplacés.

Les scientifiques ont effectué une animation pour illustrer l'émergence de ces déplacements sur le chauffage. Dans lui, les déplacements sont représentés par des flèches pour indiquer les orientations changeantes des atomes pendant qu'ils renversent dans les deux sens, ou flottent, comme les doublets minuscules.

Selon les scientifiques, c'est ce comportement de basculement irrégulier qui est principal à la capacité des matériaux à la chaleur de converti dans l'électricité.

« Les doublets irrégulier de basculement entravent le mouvement de la chaleur par le matériau plus ou moins de la même façon qu'il est plus difficile de déménager par un bois désordonné qu'un champ de pommiers ordonné où les arbres sont alignés dans les lignes, » Billinge dit. « Cette conduction thermique faible permet à un grand gradient de température d'être mis à jour en travers de l'échantillon, qui est essentiel aux propriétés thermoélectriques. »

Quand un côté du matériau contacte la chaleur - dites, dans le système d'échappement d'un automobile le gradient fera pour diffuser des porteurs de charge dans le matériau thermoélectrique (par exemple, électrons) du côté chaud au côté de rhume. Capturer ce courant électrique thermiquement induit a pu mettre la chaleur « de rebut » à l'utilisation.

Cette recherche peut aider des scientifiques à rechercher d'autres matériaux thermoélectriques avec les propriétés exceptionnelles, puisqu'elle joint la bonne réaction thermoélectrique à l'existence des doublets de fluctuation.

« Notre prochaine phase recherchera les matériaux neufs qui affichent ce passage de phase nouveau, et trouvant d'autres signatures structurelles pour ce comportement, » Billinge a dit. « Les outils neufs qui nous permettent de sonder des structures de nanoscale sont essentiels à cette recherche.

De « Telles études des matériaux complexes au nanoscale retiennent la clé sur on des percées technologiques transformatives que nous recherchons à résoudre des problèmes dans l'énergie, de la santé, et de l'environnement. »

Source : http://www.bnl.gov/

Last Update: 11. January 2012 15:00

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