تاثیر میدان مغناطیسی بر انرژی مواد ترموالکتریک

به گزارش ایسنا و به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، پژوهش‌ها نشان می‌دهند مواد جدیدی که در میادین مغناطیسی بالا گرم می‌شوند، می‌توانند سطوحی از انرژی را تولید کنند.

ممکن است روزی استفاده گسترده از این مواد ترموالکتریک، با بهبود آنها ممکن و به این ترتیب، هنگام گرم شدم یک طرف ماده، الکتریسیته تولید شود.

فیزیکدانان "دانشگاه ام‌آی‌تی"(MIT)، روشی برای افزایش چشمگیر ظرفیت ترموالکتریک یافته‌اند. موادی که آنها در این پژوهش استفاده کرده‌اند، پنج برابر کارآمدتر هستند و از آنجا که اکنون، بهترین مواد ترموالکتریک وجود دارند، شاید بتوانند دو برابر بیشتر انرژی تولید کنند.

"برایان اسکینر"(Brian Skinner)، نویسنده ارشد این پژوهش گفت: اگر رویای ما به حقیقت بپیوندد، همه موادی که در حال حاضر، ناکارآمد به نظر می‌رسند، کارآمد خواهند بود. در این صورت، می‌توان از این مواد برای گرم کردن موتور خورو یا شارژ دوباره باتری استفاده کرد.

توانایی یک ماده برای تولید انرژی از گرما، براساس رفتار الکترون‌های آن در دماهای متفاوت صورت می‌گیرد. هنگامی که یک طرف از ماده ترموالکتریک گرم می‌شود، می‌تواند به الکترون‌ها انرژی بدهد تا از قسمت گرم شده حرکت کنند و روی قسمت سرد انباشته شوند. در نتیجه، یک ولتاژ قابل اندازه گیری ایجاد می‌شود.

موادی که تاکنون کشف شده‌اند، نیروی ترموالکتریکی کمی تولید می‌کنند زیرا دادن انرژی حرارتی به الکترون‌ها، تقریبا دشوار است. در بیشتر مواد، الکترون‌ها در گروه‌ها یا طیف‌های خاصی از انرژی وجود دارند. هر گروه، با یک شکاف – انرژی‌های کمی که در آنها الکترون وجود ندارد- جدا می‌شوند. دادن انرژی کافی به الکترون‌ها برای عبور از این شکاف و حرکت فیزیکی در سراسر یک ماده، بسیار چالش برانگیز است.

اسکینر به همراه "لیانگ فو" (Liang Fu)، از نویسندگان پژوهش، ظرفیت ترموالکتریک خانواده‌ای از مواد را که با عنوان "نیمه‌رساناهای توپولوژیک" شناخته می‌شوند، بررسی کردند. این مواد، برخلاف دیگر مواد جامد مانند نیمه‌رساناها و عایق‌ها، در داشتن نوار ممنوعه صفر، منحصربه‌فرد هستند.

در فیزیک، "نوار ممنوعه"(Band gap)، به منطقه‌ای از طیف انرژی در یک جامد گفته می‌شود که در آن، هیچ حالت از طیف الکترونیک نمی‌تواند وجود داشته باشد. این شکل انرژی، الکترون‌ها را قادر می‌سازد هنگام گرم شدن، به سادگی به طیف‌های بالاتر انرژی بروند.

اسکینر در پژوهشی غیرمرتبط، اثر کمیابی را در نیمه‌رساناهایی که در معرض میدان مغناطیسی قوی قرار داشتند، مشاهده کرد. میدان مغناطیسی تحت چنین شرایطی، می‌تواند بر حرکت الکترون‌ها اثر بگذارد و مسیر حرکت آنها را شکل دهد.

گروه دانشگاه ام‌.آی‌.تی، در بررسی تحقیقاتی که پیشتر انجام شده بود، با گروهی از دانشمندان "دانشگاه پرینستون"(Princeton University) آشنا شدند. این دانشمندان در سال 2013، ویژگی‌های یک ماده توپولوژیک موسوم به "سلناید" (selenide) را بررسی و ویژگی‌های ترموالکتریکی آن را در یک میدان مغناطیسی، اندازه‌گیری کرده و افزایش تولید ترموالکتریکی را در یک میدان مغناطیسی بسیار بالا مشاهده و گزارش داده بودند.

اسکینر و فو، ویژگی‌های این ماده را برای مدل‌سازی اجرای ترموالکتریکی آن در دما و میدان مغناطیسی خاصی، به کار بردند.

اسکینر افزود: ما در نهایت، دریافتیم که در یک میدان مغناطیسی قوی، می‌توان الکترون‌ها و شکاف‌ها را در جهت متفاوتی حرکت داد. الکترون‌ها به قسمت سرد ماده و شکاف‌ها به قسمت گرم ماده حرکت می‌کنند. در نتیجه این همکاری و تنها با تقویت میدان مغناطیسی، ولتاژ بیشتری از یک ماده مشابه به دست خواهد آمد.

این پژوهش، در مجله "Science Advances" به چاپ رسید.