Badają "niewidoczne" elektrony

[KopalniaWiedzy.pl 314]

Elektrony poruszają się w materiałach w sposób podobny do tego, w jaki poruszają się w nich fale elektromagnetyczne, np. światło. To natchnęło naukowców do wykorzystania w odniesieniu do elektronów mechanizmów ukrywania obiektów przed falami elektromagnetycznymi. Takie mechanizmy znamy np. z metamateriałów, które pozwalają np. na zagięcie światła w taki sposób, by ominęła ona wybrane przedmioty, czyniąc je niewidocznymi.

Bolin Liao, Keivan Esfarjani, Gang Chen z MIT-u oraz Mona Zebarjadi z Rutgers University stworzyli teoretyczny model nanocząsteczek, których wnętrze zbudowane jest z jednego materiału, a część zewnętrzna z innego. Droga elektronów, przechodzących przez takie nanocząsteczki zostaje najpierw odchylona w jedną stronę, a następnie w przeciwną tak, że w efekcie powracają one do swojej pierwotnej trajektorii. Komputerowe symulacje wykazały, że można osiągnąć taki efekt. Teraz uczeni spróbują zbudować tego typu materiał. Co więcej, mimo iż symulacje prowadzili dla tradycyjnych półprzewodników, do budowy praktycznego urządzenia chcą wykorzystać też np. grafen.

Oczywiście, rodzi się pytanie, po co to wszystko.
Uczeni... na razie nie są pewni. Mają jednak kilka pomysłów. Po pierwsze, sądzą, że pozwoli to badać i w praktyce wykorzystać nowe właściwości materiałów. Niewykluczone, że przyczyni się do powstania wydajnych materiałów termoelektrycznych, czyli takich, które bezpośrednio zamieniają energię cieplną w energię elektryczną. Takie materiały byłyby niezwykle użyteczne. W wielu wykorzystywanych przez ludzi urządzeniach, np. w silnikach czy procesorach, znaczna część energii jest marnowana. Zamienia się bowiem w energię cieplną. Nie tylko nie jest ona wykorzystywana, ale często też dodatkowych nakładów energetycznych wymaga odprowadzenie ciepła od urządzenia. Materiał termoelektryczny pozwoliłby na zamianę tej energii w prąd i jego wykorzystanie. Niestety, materiał taki musi charakteryzować się jednocześnie wysokim przewodnictwem elektrycznym i niskim przewodnictwem cieplnym. Niewiele materiałów spełnia jednocześnie oba warunki. Tymczasem opisywane powyżej symulacje wykazały, że materiał "ukrywający" elektrony sprawowałby się świetnie w roli materiału termoelektrycznego.

Teoretyczny materiał pozwoliłby też znacznie lepiej kontrolować przepływ elektronów, co z kolei umożliwiłoby zbudowanie o wiele doskonalszych czujników i filtrów. Uczeni zauważają, że mogłyby powstać nowe rodzaje przełączników elektronicznych. Takich, które przełączałyby się pomiędzy "przezroczystymi" a "nieprzezroczystymi" elektronami.

Jesteśmy dopiero na początku drogi. Nie wiemy jak daleko dojdziemy, ale już można w tym dostrzec pewien potencjał - mówi profesor Chen.

[yaworski 2]

Taki materiał raczej ciężko byłoby wykorzystać w przypadku chłodzenia rdzeni procesora, bo tu jest właśnie potrzebny materiał, który jak najlepiej przewodzi ciepło i jest w stanie go jak najszybciej odebrać z procesora i przetransportować (np HeatPipe) lub rozproszyć (radiator). Pewnym wyjściem byłoby pewnie jakieś rozwiązanie łączone z innymi, np szybki transport ciepła z procesora przy pomocy HeatPipe'ów do elementu, który część energii zamienia na prąd a nadmiar ciepła nadal jest rozpraszany na radiatorze (coś musi w miarę szybko rozpraszać ciepło na drugim końcu rurki, żeby ta mogła poprawnie działać).

 

W przypadku silników w samochodach to już zupełnie inna sprawa. Przy pracy na wyższych obrotach (np w czasie jazdy po drodze ekspresowej lub autostradzie) silnik generuje sporo ciepła. Gdyby móc je efektywnie wykorzystać możnaby pewnie w pewnych przypadkach odłączać napęd od alternatora (np w zależności od aktualnego zapotrzebowania na energię elektryczną, gdy te jest mniejsze niż prąd generowany przez materiał termoelektryczny). Brak potrzeby ciągłego napędzania alternatora spowodowałby zmniejszenie obciążenia silnika i oszczędności paliwa. Trzeba jednak pamiętać, że sprawność silnika zależy od jego temperatury, a sprawność elementu termoelektrycznego od różnicy temperatur po obu stronach, co mogłoby spowodować spadki temperatury silnika i jego mniej optymalną pracę. W efekcie korzyści z takiego rozwiązania mogłyby być podobne lub mniejsze, niż straty (szybsze zużycie elementów silnika i katalizatora, większe zanieczyszczenie środowiska przez nieoptymalne spalanie mieszanki itp).

[thikim 117]

Ogniwa Peltiera transportują nie ciepło ale prąd, dlatego wysoka przewodność elektryczna jest potrzebna a cieplna nie.

W przypadku dużej przewodności cieplnej końce ogniwa zmnieszyłyby różnicę temperatur i sprawność ogniwa by spadła = mało odzyskalibyśmy energii.

[mnichv10 4]

@yaworski

 

Tutaj właśnie chodzi o to, żeby zrobić procesor, który nie będzie generował ciepła.