Jihokorejští vědci vyvinuli duté křemíkové nanotrubice, které efektivně přemění odpadní teplo na elektřinu

Vědci z jihokorejské Pohang University of Science and Technology (POSTECH) objevili způsob, jak přeměnit odpadní teplo – například z datových center, baterií elektromobilů a továren – na elektřinu, aniž by se spoléhali na vzácné a drahé materiály.

Vědci z jihokorejské Pohang University of Science and Technology (POSTECH) objevili způsob, jak přeměnit odpadní teplo – například z datových center, baterií elektromobilů a továren – na elektřinu, aniž by se spoléhali na vzácné a drahé materiály. Tento průlom by mohl zásadně změnit energetickou účinnost a řízení tepla v mnoha průmyslových odvětvích.

Současné termoelektrické zařízení, které se snaží zachytit unikající odpadní teplo a přeměnit ho zpět na elektřinu, naráží na bariéru v podobě surovin. Materiály jako bismut a telur jsou vzácné, drahé a jejich dodavatelské řetězce jsou nestabilní. Křemík je naopak levný, běžný a připravený pro masovou výrobu, ale dosud byl považován za špatný termoelektrický materiál, protože teplo snadno propouští.

Tým vedený profesorem Chang-Ki Baekem a doktorandem Ki Yeong Kimem na POSTECH úspěšně změnil způsob, jakým se teplo šíří v nanoměřítku. Místo pevných, tyčovitých křemíkových nanodrátů navrhli duté křemíkové nanotrubice. Tyto duté trubice snížily tepelnou vodivost o 70 procent ve srovnání s pevnými dráty. I když vědci kontrolovali experimenty tak, aby obě struktury měly přesně stejnou povrchovou plochu, duté trubice se stále ochlazovaly o 33 procent efektivněji.

Mechanismus spočívá v takzvané lokalizaci fononů. Fonony jsou kvazičástice, které představují atomové vibrace přenášející teplo pevnou látkou. V pevném drátu se fonony pohybují volně, zatímco v duté nanotrubici narážejí na bariéry. Tým z POSTECH zjistil, že tyto tepelné vibrace se zachytí ve specifických zónách, což brání jejich dalšímu šíření. Dříve se předpokládalo, že lokalizace fononů je možná pouze za extrémních kryogenních podmínek nebo ve vysoce složitých, zakázkově vyráběných materiálech. Baekův tým však prokázal, že k tomu může dojít v relativně jednoduché nanotrubicové struktuře za téměř pokojové teploty.

Přeměna tohoto nově objeveného mechanismu na praktické aplikace by mohla výrazně zlepšit energetickou účinnost přeměnou odpadního tepla na využitelnou elektřinu v masovém měřítku. Jelikož technologie využívá hojný křemík namísto nestabilních vzácných kovů, lze ji integrovat do stávajících výrobních linek polovodičů. Tato vysoká kompatibilita se současnou infrastrukturou pro výrobu čipů by mohla pomoci technologii rychle komercializovat a stát se lídrem na trhu řízení tepla nové generace, což zajistí stabilní a nákladově efektivní dodavatelský řetězec.