Учёные создали полые нанотрубки для эффективного преобразования тепла в энергию
Учёные из Пхоханского университета науки и технологии в Южной Корее предложили новый способ преобразования тепла, которое обычно теряется в окружающей среде, в электрическую энергию. Речь идёт о тепле, выделяемом центрами обработки данных, аккумуляторами электромобилей и промышленными предприятиями. Новый подход позволяет использовать для этого широко доступный кремний вместо редких и дорогих материалов.
Проблема избыточного тепла становится всё более актуальной на фоне роста цифровых технологий и искусственного интеллекта. Каждый запрос, отправляемый в системы вроде чат-ботов, сопровождается работой серверов в дата-центрах, где выделяется большое количество тепла. Аналогичные процессы происходят в аккумуляторах электромобилей при интенсивной эксплуатации, а также на крупных промышленных объектах, где значительная часть энергии теряется в виде нагретого воздуха.
До сих пор основным направлением в утилизации такого тепла были термоэлектрические устройства, способные напрямую преобразовывать разницу температур в электричество. Однако их широкому распространению мешает использование редких и дорогих элементов, таких как висмут и теллур, а также сложность и нестабильность цепочек поставок этих материалов.
Кремний является значительно более доступным и технологически удобным материалом, поскольку широко используется в полупроводниковой промышленности. Однако у него есть серьёзный недостаток: он плохо подходит для термоэлектрического преобразования, так как слишком эффективно проводит тепло, что снижает общую эффективность устройств.
Для решения этой проблемы исследователи под руководством профессора Чан-Ки Бэка и аспиранта Ки Ёнг Кима из Пхоханского университета предложили изменить структуру материала на наноуровне. Вместо привычных сплошных кремниевых нанопроволок они создали полые кремниевые нанотрубки.
Эксперименты показали, что такая структура позволяет значительно снизить теплопроводность материала. В среднем теплопроводность уменьшилась примерно на 70 процентов по сравнению со сплошными нанопроволоками. Даже при одинаковой площади поверхности полые нанотрубки оставались на 33 процента менее «проводящими тепло», чем традиционные структуры.
Объяснение этого эффекта связано с поведением фононов — квазичастиц, которые описывают колебания атомов и отвечают за перенос тепла в твёрдых материалах. В обычной сплошной структуре фононы свободно распространяются, перенося тепловую энергию. Однако в полых нанотрубках их движение нарушается: они сталкиваются с внутренними границами структуры и оказываются в состоянии так называемой локализации фононов, при которой тепловая энергия «застревает» и не может эффективно распространяться дальше.
Ранее считалось, что подобный эффект возможен только в экстремальных условиях, например при температурах, близких к абсолютному нулю, или в сложных специально созданных материалах. Однако новая работа показывает, что локализация фононов может возникать и в относительно простых нанотрубчатых структурах при обычных температурах.
Потенциально это открывает путь к созданию более эффективных устройств для утилизации тепла и его преобразования в электричество в промышленных масштабах. Использование кремния делает технологию совместимой с существующими производственными процессами в полупроводниковой индустрии, что повышает шансы на её быстрое внедрение.
Авторы исследования отмечают, что такая совместимость может позволить ускорить коммерциализацию технологии и сформировать новое направление в области управления тепловыми потоками и энергетической эффективности.
Исследование в журнале Nano Energy.