В стремлении эффективно преобразовывать тепло в электричество легкодоступные материалы из безвредного сырья инженеры и ученые открывают новые перспективы в разработке безопасных и недорогих, так называемых, термоэлектрических материалов. Синтетический медный минерал приобретает сложную микроструктуру за счет простых изменений в своем составе, тем самым закладывая основу для желаемых свойств, согласно исследованию, опубликованному недавно в журнале Angewandte Chemie.
Новый синтетический материал состоит из меди, марганца, германия и серы и производится с помощью довольно простого процесса. Порошки просто механически сплавляются с помощью шаровой мельницы с образованием предварительно кристаллизованной фазы, которая затем уплотняется при 600 градусах Цельсия . Этот процесс можно легко масштабировать.
Термоэлектрические материалы преобразуют тепло в электричество. Это особенно полезно в промышленных процессах, где отработанное тепло повторно используется в качестве ценной электроэнергии. Обратный подход — охлаждение электронных деталей, например, в смартфонах или автомобилях. Материалы, используемые в таких приложениях, должны быть не только эффективными, но и недорогими и, прежде всего, безопасными для здоровья.
Однако в термоэлектрических устройствах, используемых до сих пор, задействуются дорогие и токсичные элементы, такие как свинец и теллур, которые обеспечивают наилучшую эффективность преобразования. Чтобы найти более безопасные альтернативы, команда ученых из лаборатории CRISMAT обратились к производным природных сульфидных минералов на основе меди. Эти минеральные производные в основном состоят из нетоксичных и широко распространенных элементов, а некоторые из них обладают термоэлектрическими свойствами.
Теперь команде удалось создать серию термоэлектрических материалов, демонстрирующих две кристаллические структуры в одном материале. Исследователи были очень удивлены результатом. Обычно незначительное изменение состава мало влияет на структуру этого класса материалов. Команда обнаружила, что замена небольшой доли марганца на медь приводит к образованию сложных микроструктур с взаимосвязанными нанодоменами, дефектами и когерентными интерфейсами, которые влияют на свойства материала по переносу электронов и тепла.
Авторы работы говорят, что полученный новый материал стабилен до 400 градусов по Цельсию, что находится в диапазоне температур отработанного тепла в большинстве отраслей промышленности. Вполне вероятно, что на основе этого открытия можно разработать новые более дешевые и нетоксичные термоэлектрические материалы, которые заменят более проблемные материалы.
