U vremenima kada je energija oskudna i kada se istražuju održivi načini proizvodnje energije, razmatraju se termoelektrični materijali za proizvodnju energije kako bi se otpadna toplota transformisala u električnu energiju. Međutim, da bi ova transformacija bila efikasnija, a time i upotrebljiva u industrijskom obimu, potrebno je bolje razumevanje funkcionalnih i strukturnih svojstava materijala.
Istraživački tim predvođen Mak-Planck-Institutom fur Eisenforschung (MPIE) je sada mogao da podesi mikrostrukturu obećavajućeg novog termoelektričnog materijala za efikasnu konverziju energije. Tim je objavio svoje rezultate u časopisu Advanced Energi Materials.
Dosadašnja istraživanja su pokazala da su struktura i sastav granica zrna presudni za toplotnu i električnu provodljivost termoelektričnih materijala . Obično, granice zrna smanjuju i toplotnu i električnu provodljivost materijala, dok je poželjno imati nisku toplotnu, ali visoku električnu provodljivost.
Cilj istraživača sa MPIE, Univerziteta Northvestern (SAD) i Lajbnic instituta za istraživanje čvrstog stanja i materijala Drezden (Nemačka) bio je da modifikuju granice zrna tako da se samo toplotna provodljivost smanji, dok njihova električna provodljivost ostane visoka. Koristili su polu-Hojzlerovo intermetalno jedinjenje NbFeSb dopiranog Ti – nedavno razvijenu, ali obećavajuću termoelektričnu leguru.
Ima odlične termoelektrične osobine na srednjim i visokim temperaturama, dobru termičku i mehaničku robusnost, a njegovi elementi su bogati zemljom i benigni.
„Koristili smo napredne tehnike karakterizacije kao što su skenirajuća transmisiona elektronska mikroskopija i tomografija atomske sonde da bismo otkrili mikrostrukturu legura sve do atomske skale. Naša analiza je pokazala da se hemija i atomski raspored granica zrna mogu podesiti da bi se konstruisale elektronske i termalne transportna svojstva“, kaže Ruben Bueno Viljoro, doktorski istraživač u nezavisnoj istraživačkoj grupi „Nanoanalitika i interfejsi“ pri MPIE i prvi autor publikacije.
Kako je veličina zrna mala, povećan broj granica zrna značajno smanjuje električnu provodljivost. „Dopiranjem legure titanijumom, otkrili smo da granice zrna postaju bogate titanijumom i da više nisu otporne, tako da možemo u potpunosti da iskoristimo korisnu nisku toplotnu provodljivost koju obezbeđuje mala veličina zrna“, objašnjava dr Sijuan Zhang, vođa projekta u ista istraživačka grupa i odgovarajući autor publikacije.
Nakon što su demonstrirali strategiju inženjeringa granica zrna, istraživači istražuju nove načine za selektivno dopiranje granica zrna. Povezujući funkcionalna svojstva sa atomskim strukturama kritičnih karakteristika mikrostrukture kao što su granice zrna, istraživački tim razvija nove principe dizajna za materijale kritične za održivu budućnost.
