Журнал Компьютерра -719   ::   Компьютерра

К таким

неожиданным выводам практически

одновременно и независимо пришли две

группы ученых из Калифорнийского

технологического института и

Калифорнийского университета в Беркли.

Этот результат способен радикально

расширить область применения

термоэлектрических преобразователей,

сделав их пригодными для утилизации

тепловых выбросов крупных

электростанций, использования в

солнечных коллекторах, не говоря уже об

эффективном охлаждении компьютерных

чипов и подзарядки мобильных

устройств.

Сегодня

термоэлектрические преобразователи,

известные как элементы Пельтье,

используются весьма ограниченно,

несмотря на их замечательную способность

непосредственно конвертировать

температурный перепад в электрический

ток и наоборот. К сожалению, они дороги

и неэффективны. Хороших термоэлектриков

мало. Чаще всего используют теллурид

висмута (Bi2Te3), разработаны новые

соединения и наноструктуры на основе

других экзотических соединений, но все

они плохо приспособлены к

широкомасштабному производству.

Дело в

том, что к термоэлектрическим материалам

предъявляются весьма противоречивые

требования. С одной стороны, они должны

хорошо проводить электрический ток,

чтобы в элементе выделялось поменьше

джоулева тепла, а с другой стороны,

обладать низкой теплопроводностью, чтобы

можно было получить достаточный перепад

температур. Но чем выше

электропроводность материала, тем больше

его электронная теплопроводность,

которая ей прямо пропорциональна. Хуже

того, кроме электронов в перенос тепла в

материале вносят заметный вклад и так

называемые фононы - кванты звуковых

колебаний кристаллической решетки.

Именно из-за высокой фононной

теплопроводности кремния на нем как на

термоэлектрике сразу же был поставлен

крест еще шестьдесят лет тому назад,

когда была создана теория

термоэлектрических генераторов.

Эффективность элементов из кремния

получается примерно на два порядка хуже,

чем из обычных термоэлектриков, несмотря

на приличную величину его

термоэлектрического коэффициента

Зеебека.

Теперь эти выводы

придется пересмотреть. Группа из Беркли

изготовила из кремния круглые

нановолокна с грубой поверхностью

диаметром 20-300 нанометров и

обнаружила, что их теплопроводность

резко уменьшилась на два порядка

величины. Этот пока не очень понятный

эффект, по-видимому, связанный с сильным

рассеянием фононов на шершавой

поверхности нановолокон, делает кремний

вполне конкурентоспособным по сравнению

с другими термоэлектриками. Ученые из

Калтеха исследовали гладкие нановолокна

прямоугольного сечения размером 10х20 и

20х20 нанометров и тоже зафиксировали

увеличение эффективности, которое

достигало сотни при пониженной

температуре. Но тут это увеличение уже

нельзя объяснить только одним снижением

теплопроводности.

Учитывая, что

кремний сравнительно дешев, для него

накоплен богатый опыт и имеется мощная

промышленность с развитой

инфраструктурой, перспективы открываются

самые радужные. Дешевые элементы Пельтье

смогут выгодно использовать небольшие

температурные перепады, возникающие

повсеместно. Достаточно сказать, что

60-70% тепла от сжигаемых в тепловых

электростанциях ископаемых топлив

сегодня бесполезно греют воздух. А так в

мире получают 90% всей электроэнергии.

Все - от горячих выхлопных газов

автомобилей до стены нагретого солнцем

дома - может пойти в дело.

Но

сегодня ученые только в самом начале

пути. Теорию обнаруженного эффекта еще

предстоит создать. И можно надеяться на

дальнейшее значительное увеличение

эффективности термоэлектрических

преобразователей. А что можно получить,

если нановолокна попробовать сделать из

других материалов? На этот и на

множество других возникающих здесь

вопросов исследователям еще только

предстоит найти ответы.