Физики из Шанхайского Института Керамики и Калифорнийского Технологического Института установили, что хорошая эффективность селено-медных термоэлектрических генераторов объясняется характерным для жидкости поведением атомов меди в кристаллической решетке селена. Работа опубликована в журнале Nature Materials, краткий пересказ приводит сайт PhysOrg.com.
Сплавляя в тигле медь и селен, а затем медленно остужая полученный расплав, физики давали селену образовать кристаллическую решетку. Полученное вещество оказалось термоэлектриком, то есть преобразовывало тепловую энергию в электрическую. Если пластину такого вещества поместить на границу между горячим и холодным телом, электроны потекут сквозь пластину, генерируя электрический ток.
Эффективность термоэлектриков зависит от их теплопроводности. При высокой теплопроводности градиент температуры в веществе быстро исчезнет, а вместе с ним прекратится и электрический ток. Чем хуже проводит тепло термоэлектрик, тем эффективнее он генерирует электричество.
Хороший генератор должен обладать, казалось бы, противоположными свойствами. С одной стороны, он должен хорошо проводить генерируемое электричество, и, следовательно, обладать кристаллической решеткой, обеспечивающей транспорт электронов. С другой стороны, кристаллические вещества, в отличие от жидких(аморфных), хорошо проводят тепло, что снижает эффективность термоэлектрика.
Физики установили, что в селено-медном сплаве сочетаются два состояния вещества - жидкое и твердое. Селен образует кристаллическую решетку, обеспечивая проведение генерируемого тока, а медь заполняет в ней полости, при этом совершенно хаотично. Атомы меди могут двигаться внутри кристаллической решетки селена словно в жидкости. Жидкое состояние меди в сплаве не дает распространяться поперечным тепловым колебаниям, что сильно снижает теплопроводность. Поэтому сплав обладает столь необычной эффективностью.
Термоэлектрики уже применяются в космических технологиях для генерации электричества. Потенциальная сфера их применения очень широка. Впервые сплав меди и селена использовало NASA около 40 лет назад, но тогда никто не мог объяснить его высокой эффективности. Знание принципов, лежащих в основе работы должно помочь ученым получить гораздо более эффективные их разновидности.