Цивилизация
Русский язык, да и не только русский, стремительно полнится словами с приставкой нано-. Мы уже знаем о нанотрубках и нанороботах, нанопорошках и даже нанотранзисторах. Исследователи из Политехнического института имени Ренселлера в США подарили миру еще одно нанослово – наноскульптуры, которые они научились лепить химическим путем, вскоре окажутся способны сильно продвинуть современные технологии преобразования тепла в электричество.
В настоящее время большую часть тепла, вырабатываемого различными устройствами – бытовой электротехникой или промышленными агрегатами, человечество предпочитает попросту выбрасывать на ветер, кондиционируя помещения, создавая сложные системы охлаждения узлов машин с радиаторными решетками, которые в итоге отдают тепло окружающей атмосфере. Вряд ли кто-либо будет спорить, что такая трата энергии, которую человечество все никак не может научиться ценить, в будущем будет неприемлема. Однако далеко не каждый человек представляет себе, как можно использовать тепловую энергию, рассеиваемую процессором его собственного ноутбука.
Выход есть – применение термоэлектрического эффекта, с помощью которого даже небольшая разница температур между нагретым телом и окружающей средой может стать источником значительного количества электрической энергии.
Этот эффект был открыт Зеебеком в 1821 году, и состоит он в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, места контактов которых поддерживают при разных температурах, возникает электродвижущая сила (термоэдс) – проще говоря, напряжение. Величина возникающей термоэдс зависит только от материала проводников и температур горячего и холодного контактов.
То же явление можно использовать и в обратном направлении (эффект Пельтье) – напрямую добиваться снижения температуры термоэлектрического преобразователя с помощью источника электрического тока. Пока «Пельтье-холодильники» работают больше в военных и космических технологиях, однако преимущества бесшумных, маленьких и легких холодильников понятны всем. Более того, термоэлектрические холодильники могут работать в очень широком интервале температур, и многие ученые в связи с этим надеются, что когда-нибудь им не придется постоянно доливать жидкий азот в охлаждающие системы своего оборудования.
Почему же этот замечательный эффект, который может позволить нам экономить стремительно тающие запасы углеводородного топлива или сделать повседневную жизнь тише и комфортнее, до сих пор не нашел массового применения?
Все дело в очень низкой эффективности термопреобразователей электричества, которая оценивается коэффициентом термоэлектрической добротности ZT. Этот коэффициент у современных термоэлектриков находится в диапазоне (2-5)*10-3 К-1 и не позволяет их эффективности приблизиться к эффективности обычных фреоновых рефрижераторов и кондиционеров. Цель исследователей – получить термоэлектрики с коэффициентом ZT около единицы. Однако это требует от материала необычных, если не сказать аномальных свойств – высокой электропроводности в сочетании с низкой теплопроводностью; притом и про высокий коэффициент термоэдс забывать нельзя.
Конструкция полупроводникового термоэлектрика подразумевает соединение двух полупроводников с различным типом проводимости – электронной и дырочной. В первую очередь для этого используют высоколегированные сплавы теллурида висмута.
Ученые из Ренселлеровского института смогли улучшить свойства именно таких полупроводниковых термопреобразователей за счет уменьшения размера единичного термоэлемента до нанодиапазона.
Учёные отправились в «нанообласть» не наобум. Их ожидания были связаны с тем, что в наноразмерных монокристаллах на стыке двух кристаллов часто наблюдается более интенсивное рассеивание фононов – «квантов» колебаний кристаллической решётки; благодаря этому уменьшается теплопроводность системы. Кроме того, в нанообъектах – таких как квантовые точки, нановолокна и нанокристаллы – часто становятся ощутимыми эффекты квантового ограничения, связанные с тем, что геометрические размеры кристалла становятся сопоставимы с квантовыми параметрами носителей заряда (электронов и дырок) в нём. Такое ограничение позволяет заметно улучшить проводимость материала и заодно повысить коэффициент термоэдс.
Как оказалось, в нанотехнологии американцы сунулись не зря. Статья в журнале Advanced Materials описывает синтетический метод, который позволяет за один прием синтезировать целый массив кристаллов теллурида висмута, покрытых такой же монокристальной оболочкой сульфида висмута с другим типом проводимости. Особенностью продемонстрированного метода синтеза является то, что тщательный контроль условий приводит к появлению упорядоченной ветвистой структуры в ансамбле покрытых оболочкой монокристаллов.
Методы получения систем ядро-оболочка и ветвистых наноструктур уже были показаны по отдельности. Однако Ганапатираман Раманап, руководивший последней работой, – первый, кому удалось совместить получение покрытых оболочкой нанокристаллов с их упорядоченным ветвлением. Наверное, поэтому сами создатели склонны относить полученные массивы наноструктур к «наноскульптурам».
Секрета из своего открытия ученые не делают – основу их метода составляет природное поверхностно-активное вещество L-глутатоновая кислота. Синтез монокристальных систем ядро-оболочка довольно прост. Он заключается в добавлении ортотеллуровой кислоты к концентрированному раствору хлорида висмута в азотной кислоте в смеси с глутатоновой кислотой. Смешанные реактивы кипятятся после добавления этилен- и полиэтиленгликоля в систему при температурах от 145 до 195 градусов Цельсия. После этого реакционную колбу резко охлаждают по прошествии определенного времени синтеза.
Ученые установили, что при повышенной температуре и низкой концентрации глутатоновой кислоты начинается контролируемое ветвление наноструктур благодаря так называемому эффекту кристаллографического двойникования.
Этот эффект связан с десорбцией комплексов висмут-глутатоновая кислота с поверхности растущих монокристаллов. Десорбция меняет симметрию кристаллической решетки на поверхности, из-за чего дальнейший рост кристалла в этой области проходит уже в другом направлении.
Наличие же в структуре органических компонентов синтеза карбоксильных, амино- и гидроксильных групп, которые в итоге оказываются адсорбированными на поверхности, приводит к самоорганизации наноструктур благодаря образованию водородных связей и амидизации между амино- и карбоксильными группами соседних нанокристаллов.
Чтобы полученную упорядоченную систему ветвистых кристаллов с оболочкой превратить в термоэлектрический элемент, предстоит ещё немало работы. Однако первый шаг уже сделан, и его простота позволяет надеяться, что цены на такое электричество не будут кусаться.