【论文故事】微多孔热电材料:拯救你发热的电脑

原文出处: 果壳网

从滚烫的发动机到可以煎鸡蛋的电脑机箱,在你的生活中,每台机器每台设备会损失掉大量的热量。全世界产生的能量约有70%会以热的形式耗散。现在,趁妈妈不在家时偷偷看电视玩电脑事后需要拿毛巾降温的小伙伴,你们有福了:希腊国家科学研究中心的研究者迪米特瑞斯·尼亚尔霍斯(Dimitris Niarchos)和罗兰德·塔克哈尼安(Roland Tarkhanyan)的最新研究显示,一种多孔物质能作为更有效的热电材料,将热能和电能相互转换,使设备发出的热量得以再次利用。研究论文于7月15日发表在美国物理学会出版的《应用物理学快报·材料》(APL Materials)上。果壳网对论文第一作者,塔克哈尼安教授进行了采访。

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电脑机箱热到能煎鸡蛋?有了这种多孔的新型热电材料,以后你就可以和“高科技”煎锅说再见啦!图片来源:phys.ncku.edu.tw

许多研究者都在致力于制造更有效的热电材料来“抓住热量”。塔克哈尼安和尼亚尔霍斯提出了一种很有希望的材料,它充满了从一纳米到一微米大小不等的小孔。这种多孔的热电材料能够显著提高收集耗散热量的效率。它利用本来耗散浪费掉的热量,将之转换为电能,并给未来能源的可持续发展提供了一个新的可能。

热量通过“声子”(编者注:Phonons,晶体点阵振动能的量子)在材料中传播。当声子进入一个微孔隙,它会“散开(scatter)”并失去能量。所以,声子无法有效地通过多孔材料进行热传播,这反过来增加了材料的热电转换效率。“所有含有微孔隙的材料实际上都可以被看做是多孔材料。”塔克哈尼安教授向果壳网解释道,“它们已经被运用在了科学和工程学的许多领域,比如电子、机械和物理学等等。”材料的孔洞越多,热导率越低,那么它就越可能是优良的热电材料。

塔克哈尼安教授告诉我们:“现在,制造人造多孔材料的技术已经比较成熟了,而且世界上许多实验室已经生产出了真正的热电材料。”然而,到目前为止,研究人员还没能系统地模拟出多孔材料是如何保持低导热系数,并服务于热电转换的。于是,塔克哈尼安教授和尼亚尔霍斯教授研究了几个简单的微纳米多孔材料模型的热性能。尼亚尔霍斯教授表示,这项研究可以为用多孔材料制造更好的热电装置带来启发。

研究人员发现,总体来说,材料内的孔隙越是排列紧密,其导热系数就越低。而且有孔隙的材料比没有孔隙的材料热电转换效率要高。在塔克哈尼安和尼亚尔霍斯教授提出的四个模型中,第一个模型中充满了大小随机的孔隙;第二个模型中的孔隙分为不同的层次,每一层含有的是大小不同的孔隙;第三个模型中的孔隙大小全都相同;而第四个模型和第二个模型类似,也具有不同的层次,但每一层的孔隙大小相同,而不同层次间,孔隙的大小不同。

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多孔热电材料模型四示意图:左边红色为较热部分,右边蓝色为较冷部分,白色的球体即为微孔隙。实际材料内的微孔隙结合得更加紧密。图片来源:研究论文

根据他们的研究结果,第三个模型具有最低的导热率和热电转换效率,证明它是潜在的最好的热电材料。不过,塔可哈尼安同时表示:“后三种模型都代表了某种最理想化的情况,而第一种模型会更加实际一些。但它们所提供的解析公式将有助于我们发明更优良的热电材料。未来,这些微多孔热电材料将会广泛地应用在电子能源领域。”

参考文献:

  1. Roland H. Tarkhanyan and Dimitris Niarchos (2014) Reduction of thermal conductivity in porous ‘gray’ material. APL Materials. July 15


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