Nové molekuly pro řízení genové exprese pomohl najít synchrotronový parsek
Nová výzkumná práce Evropské laboratoře molekulární biologie publikovaná v Nature Communications klade základy pro vývoj nových léků specifických pro genetické ...
Příprava a vlastnosti materiálů na bázi sloučenin A2VB3VI pro termoelektrické aplikace
Dalším ze studentů, kteří uspěli v soutěži Expo Science AMAVET 2009, je Patrik Čermák z východočeské Třemošnice. Ústředním tématem jeho projektu jsou termoelektrické materiály. Patrik v soutěži obsadil v celkovém hodnocení krásné druhé místo s právem účasti na INTEL ISEF 2010 v USA. O své práci, kterou připravil ve spolupráci s Ústavem aplikované fyziky a matematiky Univerzity Pardubice, nám ochotně napsal stručný článek.
Jestliže prochází proud I homogenním vodivým vodičem, který je uprostřed zahříván, pak – podle orientace proudu – se na jeho koncích uvolňuje nebo pohlcuje Thomsonovo teplo. Seebeckův jev spočívá ve vzniku napětí v obvodě dle obr. 1, sestávajícího ze dvou různých vodivých materiálů, mají-li místa styku těchto vodičů různé teploty (T1 ‡ T2). Seebeckův jev samotný však vzniká v každém druhu vodivého materiálu díky driftu nosičů náboje v teplotním gradientu (obr. 2). Peltierův jev spočívá v teplotních a teplených změnách na spojích dvou různých vodivých materiálů. Pokud smyčkou zobrazenou na obr. 3 teče proud (např. když ji připojíme k baterii), na jednom spoji se vyvíjí teplo, zatímco na druhém se pohlcuje. Chlazení jednoho spoje a zahřívání druhého je způsobeno rozdílem středních energií volných nositelů proudu v materiálech tvořících spoj (viz Peltierův jev v boxu). Peltierův jev může tedy vznikat pouze na spoji (kontaktu) těchto druhů materiálů.
U = aAB.(T2 – T1)
kde U je vzniklé napětí (V), a je tzv. relativní Seebeckův koeficient závislý na teplotě (V.K-1), a T2-T1 je rozdíl teplot spojů (K).
Peltierův jev se užívá ke chlazení, např.:
· v elektronice pro součástky citlivé na teplo (procesory, laserové diody, …);
· v lékařské technice pro nádoby na přenos krevní plasmy a sér;
· v běžném životě – přenosné chladničky pro autocamping.
Seebeckův jev:
a) měření teploty (termočlánky)
b) generace elektrické energie – tzv. TE generátor, což je zařízení schopné generovat elektrickou energii „z tepla“ (fyzikálně i fakticky správněji – z tepelného toku).
TE generátory se již hojně využívají např. ve vesmírných sondách, které by ve vzdálenějších koutech vesmíru nemohly fungovat kvůli malé intenzitě slunečního záření využívaného ke konverzi solárními články. V budoucnu, až budou nalezeny lepší materiály, se plánuje použití i např. v rodinných domcích pro úsporu energie [3]. V současnosti se zkouší použití v automobilech, kde by nahradil (úplně či částečně) alternátor.
1. Průchodem proudu se jedna strana chladí, druhá ohřívá (Peltierův jev)
2. Vyvoláním teplotního spádu na stranách článku vzniká na jeho svorkách napětí (Seebeckův jev)
Schématické vysvětlení realizace Peltierova a Seebeckova jevu v Peltierově článku je možné vidět na obr. 5 a na obr. 6.
Kritériem pro výběr těchto materiálů je parametr TE účinnosti, tzv. ZT-parametr (rovnice 2):
ZT = δα2T/k
kde s je elektrická vodivost (Ω-1.m-1), a je Seebeckův koeficient (V.K-1), T je termodynamická teplota (K) a k je tepelná vodivost (W.m-1.K-1).
Přehled teplotní závislosti Z- a ZT-parametru některých perspektivních materiálů je na obr. 7
Cílem výzkumu je tedy u daného materiálu nalézt vhodné příměsi pro zabudování do krystalu, určit jejich koncentraci a vyvinout technologický postup pro jejich zabudování. Výzkum je proto orientován na hlubší poznání vztahů mezi povahou a koncentrací bodových poruch a tomu odpovídajících fyzikálních vlastností.
Krystaly A2VB3VI
Krystaly A2VB3VI, kde A=Bi, Sb a B=Se, Te (mimo Sb2Se3), patří do skupiny úzkopásových polovodičů, tj. s malou šířkou zakázaného pásu (Eg ~ 0,20 eV), dosahujících maxima TE účinnosti v oblasti pokojových teplot (300 K). Jejich romboedrickou mřížku typu tetradymitu (odvozeno od minerálu tetradymitu Bi2Te2S) lze popsat také jako hexagonální strukturu, jejíž vrstvy jsou orientovány kolmo ke krystalografické ose (c). Prvky A, B obsazují pět atomových rovin střídavě dle schématu:
…B1AB2AB1… B1AB2AB1… B1AB2AB1…, kde tečky nahrazují slabou Van der Waalsovu vazbu.
Elementární buňka krystalu Bi2Te3 je na obr. 8.
Z fitovaných experimentálních dat jsem vypočetl výše zmíněný ZT-parametr a ze všech těchto dat jsem u Bi2,002Te2,9Se0,091I0,007 n-typu navrhl další postup, tj. optimalizaci koncentrace volných nositelů proudu (VNP), jež vede k posunutí maxima TE účinnosti těchto materiálů, do oblasti pokojových teplot. Na této optimalizaci v současné době pracuji.
Dále jsem pak z těchto (polykrystalických) materiálů sestavil vlastní, funkční Peltierův článek a využil jsem ho demonstračně jako chladič i jako TE generátor (monokrystalické materiály nelze pro tento záměr úspěšně použít, protože jsou příliš snadno štěpitelné a málo pevné, takže se snadno změní na mikroskopické úrovni).
Podle výsledků měření Bi2,002Te2,9Se0,091I0,007 (n-typ) jsem za účelem optimalizace (posunutí) maxima ZT-parametru do oblasti pokojových teplot, připravil další polykrystalické vzorky. A to zejména se sníženou dotací jodu, který do hostitelské struktury Bi2Te3 přináší další volné elektrony.
Zde uvádím speciálně výsledky měření Seebeckova koeficientu a (obr. 12) a měrné elektrické vodivosti s (obr. 13) systému Bi2+xTe3-x-y-zSeyIz, kde x=0,002, y=0,093 a z=0,005.
Jelikož jod má ve valenční sféře o jeden elektron navíc, můžeme při zvýšení jeho koncentrace očekávat též zvýšení koncentrace VNP, čímž se mj. posune Fermiho hladina k vyšším hodnotám. Tím se sníží velikost a posune maximum Seebeckova koeficientu a do oblasti vyšších teplot, což dále znamená posun maxima ZT-parametru též do oblasti vyšších teplot. To je patrné z publikovaných experimentálních dat, kde tedy substitucí atomů teluru atomy jodu posuneme při vyšších koncentracích jodu maximum ZT-parametru do oblasti vyšších teplot (u Bi2,002Te2,9Se0,091I0,007 do 430 K).
V uváděném Bi2,002Te2,9Se0,093I0,005 (se sníženou dotací jodu) již však příliš poklesne měrná elektrická vodivost s. Tento materiál proto není vhodný pro zvýšení účinnosti stávajících tepelných strojů (jako jsou např. Peltierovy články) pracujících v oblasti pokojových teplot.
V současné době se proto v tomto záměru soustředím na optimalizaci, a to zaváděním dalších příměsí.
O prázdninách jsem se rozhodl, že nechci tyto materiály pouze měřit, ale chci se podílet i na jejich výzkumu, a tím samozřejmě nejen uspokojit svůj zájem, ale pomoci tak třeba i ostatním lidem. Proto jsem kontaktoval doc. ing. Čestmíra Drašara, Dr. z Ústavu aplikované fyziky a matematiky Univerzity Pardubice, který se již řadu let zabývá výzkumem tohoto i jiných typů materiálů. Ten mě ochotně přijal a umožňuje mi asi vše, co si vymyslím a o čem by se studentovi na střední škole mohlo jinak pouze zdát…
Všem tedy patří velké díky.
Odkazy
[1] Thomas Johann Seebeck. Institute of Chemistry, The Hebrew University of Jerusalem: Famous Scientists of the „electro“ science [online]. 2003 [cit. 2009-04-20]. Dostupný z WWW: http://chem.ch.huji.ac.il/history/seebeck.html
[2] Termoelektrické materiály. SLChPL ÚMCh AV ČR, v. v. i. a UPa : Výzkumné skupiny [online]. Dostupný z WWW: http://www.upce.cz/fcht/slchpl/vyzkum/termo-materialy.html
[3] Thermoelectrics for Energy. Thermoelectrics : California Institute of Technology [online]. 2009 [cit. 2009-11-21]. Dostupný z WWW: http://www.thermoelectrics.caltech.edu/sustainability_page.htm
[4] DRAŠAR, Čestmír. Fyzikální vlastnosti monokrystalů (Bi1-xSbx)2Se3. ČVUT, 2007. Habilitační práce. Dostupný z WWW: http://www.cvut.cz/informace-pro-zamestnance/habilitace/hp/hp2007
[5] HALOUSEK, Milan. Pardubická maturantka pojede na vědecký festival do Tunisu, další student do USA. Kosmický kurýr : Czech Space Office [online]. 2009, duben [cit. 2009-11-21], s. 7. Dostupný z WWW: http://www.czechspace.cz/cs/system/files/Kuryr_CSO_2009_04.pdf
Nová výzkumná práce Evropské laboratoře molekulární biologie publikovaná v Nature Communications klade základy pro vývoj nových léků specifických pro genetické ...
Výzkumníci v Austrálii budují „živou semennou banku“, která má chránit poslední zbývající fragmenty australského deštného pralesa před klimatickými změnami.
Neobvyklé jezero s podmínkami, které mohly dát vzniknout životu na Zemi, leží v kanadské Britské Kolumbii. Vědci považují jezero Last Chance za obdobu jezer, která mohla na Zemi existovat ...
Zachování umění a kulturního dědictví je společnou ambicí celosvětové komunity. MAAE využívá jadernou vědu a technologii k charakterizaci a uchování artefaktů, a tím k ...
Kambodža je domovem mnoha jedinečných kulturních památek, z nichž čtyři jsou zapsány na seznamu světového dědictví UNESCO. Toto dědictví je však vystaveno riziku poškození nebo ztráty kvůli tropickému klimatu země.
Krásně a jednoduše vysvětleno se srozumitelnými animacemi. V angličtině.