De Wetenschappers hebben ontdekt dat gedraagt een klasse zich van materialen die wordt gekend om hitte in elektriciteit om te zetten en vice versa vrij onverwacht bij nanoscale in antwoord op veranderingen in temperatuur.
De ontdekking - die in 17 wordt beschreven December, 2010, kwestie van Wetenschap - is een nieuwe overgang van de „tegenovergesteld-richtings“ fase dat de hulp de sterke thermo-elektrische reactie van deze materialen verklaart. Het kan wetenschappers ook helpen andere nuttige thermoelectrics identificeren, en kon hun toepassing bevorderen in het vangen van energie die als hitte, bijvoorbeeld, in automobiel en fabrieksuitlaat wordt verloren.
De wetenschappers - van het Nationale Laboratorium van Brookhaven van de Afdeling (DOE) van de V.S. van Energie, de Universiteit van Colombia, Nationaal Laboratorium Argonne, Los Alamos Nationaal Laboratorium, Noordwestelijke Universiteit, en het Zwitserse Federale Instituut van Technologie - bestudeerden lood chalcogenides (lood dat met tellurium, selenium, of zwavel in paren wordt gerangschikt) onlangs gebruikend beschikbare experimentele technieken en theoretische benaderingen die hen en modelgedrag van individuele atomen bij nanoscale, of op de orde van miljardsten van een meter „toestaan zien“. Met die hulpmiddelen konden zij subtiele veranderingen in atoomregelingen waarnemen onzichtbaar aan conventionele sondes van structuur.
Om de faseovergang te begrijpen denken de waargenomen wetenschappers, aan de dagelijkse reactie van een gas als stoom het koelen om vloeibaar water te vormen, en dan het bevriezen om stevig ijs te vormen. In elk geval, ondergaan de atomen één of andere vorm van structurele herschikking, verklaart Simon Billinge, een fysicus bij Laboratorium Brookhaven en de School van de Universiteit van Colombia van Techniek en Toegepaste Wetenschap en een hoofdauteur op het document van de Wetenschap.
„Soms, het verdere zal koelen leiden tot verdere structurele overgangen: De Atomen in het kristal herschikken of worden die worden verplaatst om de algemene symmetrie te verminderen,“ Billinge zegt. De ontwikkeling van dergelijke gelokaliseerde atoomvervormingen op het koelen is normaal, zegt hij. „Wat wij in lood chalcogenides ontdekten is het tegenovergestelde gedrag: Bij de zeer laagste temperatuur, waren er geen atoomverplaatsingen, niets - maar bij het verwarmen, verschijnen de verplaatsingen!“
De technieken de wetenschappers die worden gebruikt om deze nanoscale atoomactie waar te nemen waren high-tech versies van x-ray visie, die door wiskundige en computeranalyse worden geholpen van de resultaten. Eerst werden de loodmaterialen gemaakt in een gezuiverde poedervorm bij Noordwestelijke Universiteit. Dan bombardeerden de wetenschappers de steekproeven met twee soorten stralen - röntgenstralen bij de Geavanceerde Bron van het Foton bij Argonne en neutronen op het Verspreidende Centrum van het Neutron Lujan bij Los Alamos. De Detectors verzamelen informatie over hoe deze stralen zich van de steekproef verspreiden om diffractiepatronen te veroorzaken die op posities en regelingen van de atomen wijzen. De Verdere wiskundige en computeranalyse van de gegevens die computerprogramma's gebruiken die in Brookhaven en Colombia worden ontwikkeld stond de wetenschappers toe om te modelleren en te interpreteren wat op het atoomniveau over een waaier van temperaturen gebeurde.
Fysicus Emil Bozin, eerste auteur van Brookhaven op het document, was de eerste om het oneven gedrag in de gegevens op te merken, en hij werkte tenaciously om te blijken het nieuw iets en niet een gegevensartefact was. „Als wij net de gemiddelde structuur hadden bekeken, zouden wij nooit dit effect waargenomen hebben. Onze analyse van de atoomfuncties van de paardistributie geeft ons een meer lokale mening - de afstand van één bijzonder atoom aan zijn meest dichtbijgelegen buren - eerder dan enkel het gemiddelde,“ Bozin zegt. De gedetailleerde analyse openbaarde dat, als materieel warmer geworden, deze afstanden op uiterst kleine schaal - ongeveer 0.025 nanometers - erop wijzend veranderden dat de individuele atomen verplaatst werden.
De wetenschappers hebben een animatie gemaakt om de totstandkoming van deze verplaatsingen op het verwarmen te illustreren. Daarin, worden de verplaatsingen vertegenwoordigd door pijlen om op de veranderende richtlijnen van de atomen te wijzen aangezien zij, afwisselend wegknippen of, als uiterst kleine dipolen schommelen.
Volgens de wetenschappers, is het dit willekeurige het wegknippen gedrag dat aan de capaciteit van de materialen zeer belangrijk is om hitte in elektriciteit om te zetten.
De „willekeurig het wegknippen dipolen belemmeren de beweging op gelijkaardige wijze van hitte door het materiaal dat het moeilijker is om zich door een wanordelijk hout te bewegen dan een ordelijke appelboomgaard waar de bomen in rijen worden opgesteld,“ Billinge zegt. „Dit lage warmtegeleidingsvermogen laat een grote temperatuurgradiënt toe om over de steekproef worden gehandhaafd, die voor de thermo-elektrische eigenschappen.“ essentieel is
Wanneer één kant van het materiaal in contact met hitte komt - zeg, in het uitlaatsysteem van een auto - de gradiënt zal lastencarriers in het thermo-elektrische materiaal (b.v., elektronen) om van de hete kant aan de koude kant ertoe brengen te verspreiden. Het Vangen van deze thermaal veroorzaakte elektrische stroom kon de „afval“ hitte aan gebruik zetten.
Dit onderzoek kan wetenschappersonderzoek naar andere thermo-elektrische materialen met uitzonderlijke eigenschappen helpen, aangezien het de goede thermo-elektrische reactie op het bestaan van schommelende dipolen verbindt.
„Onze volgende stap zal zoeken naar nieuwe materialen die deze nieuwe faseovergang, en het vinden van andere structurele handtekeningen voor dit gedrag tonen,“ bovengenoemde Billinge. De „nieuwe hulpmiddelen die ons toestaan om nanoscale structuren te sonderen zijn essentieel aan dit onderzoek.
„Dergelijke studies van complexe materialen bij nanoscale houden de sleutel aan veel van de transformatieve technologische doorbraken die wij hebben willen om problemen in energie, gezondheid, en het milieu oplossen.“
Bron: http://www.bnl.gov/