原子动力学有助于将热量变成电力

材料科学家杜克大学已经发现的原子机制，使得某些热电材料难以置信的高效率接近高温相变。这些信息将有助于这些材料的计算模型填补关键的知识空白。它可以允许研究人员发现对于依赖转化热能转化为电能的技术新的，更好的选择。

当电子从材料的热侧到冷侧时，热电材料将热量转换为电力。因为在需要两侧之间提供温差，研究人员有兴趣尝试使用这些材料从汽车尾管的热量产生电力，或者在发电厂中恢复为热量丢失的能量。

在过去几年中，采用称为锡硒化锡及其妹妹化合物，硫化物的热电效率设定了新的记录。硫化物版本尚不如热电，但它正在进一步优化，因为它更便宜地生产和更环保。

虽然科学家们知道，这两种化合物都是优秀的热电材料，他们不知道到底是为什么。在新的研究中，奥利维尔Delaire，在杜克大学机械工程和材料科学的副教授，和他的两个研究生，泰森拉尼根 - 阿特金斯和山漾，试图填补位的知识缺口。

“我们想尝试理解为什么这些材料具有这样的导热系数低，这有助于使他们知为强热电性质，” Delaire说。“利用中子散射测量和计算机模拟的一个强大的组合，我们发现，它关系到在高温下材料的原子振动，没有人见过。”

低导热率是任何良好的热电材料的必要成分。因为发电需要两侧的热差异，所以阻止热量蔓延的材料都会表现良好。

为了了解行动中的硫化锡原子振动，Delaire和Lanigan-Atkins在高通量同位素反应器上拍摄了样品橡树岭国家实验室。通过弹射中子关闭锡硫化物的原子，并检测其中它们之后结束，研究人员能够确定在何处原子分别和它们如何被共同地振动在晶体的晶格。

在橡树岭国家实验室的设施是特别适合的任务。由于硫化锡的原子振动的速度相对较慢，研究人员需要低能量的“冷”中子是微妙的，足以看到他们。和橡树岭国家实验室拥有一些世界上最好的冷中子仪器。

“我们发现了硫化锡有效地具有非常某些振‘软盘’，” Delaire说。根据“其特性与在其晶格固有的不稳定性连接”。

在较低的温度下，硫化锡是具有扭曲的锡和硫化物栅格的层状材料，位于另一个上的顶部，像手风琴一样波纹状。但在其相变点的温度下，980°F的温度，这是热电发电机经常运行的地方，扭曲的环境开始破裂。这两层，仿佛是魔法，再次变得不变，更对称，这就是“萧条”发挥作用的地方。

因为材料在高温下的两个结构布置之间晃动，所以其原子不再像孔隙调整的吉他串一样振动，而是变得胆小衰减。要了解更好，请将一辆带有谐波振动的可怕冲击的汽车 - 在越来越多的凹凸后，它会保持跳跃。但是，适当的冲击将抑制振动，使其成为anharmonic并停止它长时间振荡。

“热浪通过材料中的原子振动行驶，”Delaire说。“因此，当硫化锡中的原子振动变得软盘时，它们不会非常快速地传递振动，并且它们也不会振动很长。这是它阻止在它内部旅行的热量的根本原因。“

有了这些结果在手，Delaire和杨再设法确认和计算理解他们。使用在劳伦斯伯克利国家实验室的超级计算机，杨才得以重现在高温下同样的非谐的效果。除了证实他们在实验中所看到的，Delaire说，这些更新的车型将允许研究人员对新型热电材料使用在明天的技术更好的搜索。

“研究人员在该领域还没有占上热传播速度强劲温度的关系，而这个模型显示是多么重要的变量可以是，” Delaire说。“采用这些结果和其他理论前进将使材料科学家更容易预测其他良好的热电材料。”

- 由Chris Vavra，Associate Editor编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。