17.01.2008

Siliciul devine fierbinte din nou

Siliciul devine fierbinte din nou
Siliciul este materialul de baza al revolutiei tehnologice din ultimele decade datorita proprietatilor sale remarcabile pentru o larga varietate de aplicatii. Dar exista si aplicatii unde siliciul nu este primul pe lista, un exemplu fiind generarea curentului electric din caldura, fenomen fizic foarte interesant pentru care exista un interes ridicat ca posibila sursa de energie alternativa. Dar starea actuala este pe punctul de a fi pusa sub semnul intrebarii.


Categorie: Tehnologie
Autor: Alexandru Lerescu



In numarul din 10 ianuarie al revistei Nature, doua grupuri de cercetatori din California arata, independent, ca si siliciul poate rivaliza cu cele mai bune materiale termoelectrice.

Materialele termoelectrice au proprietatea de a transforma caldura in curent electric. Una din principalele aplicatii ar fi ca sursa de energie alternativa, de exemplu convertirea caldurii de la soare in energie electrica sau, o alta idee des vehiculata, pentru imbunatatirea eficientei centralelor termice unde aproximativ jumatate din caldura produsa se pierde. Pe linga aceste aplicatii strategice, materialele termoelectrice sint tentante pentru a fi folosite ca surse de energie in senzori autonomi care nu mai necesita baterii. Problema care sta in calea acestor aplicatii foarte apetisante stiintific si tehnologic este faptul ca aceste materiale termoelectrice sint destul de particulare, combinatii de elemente rare si care fac ca pretul lor sa fie foarte mare. Pina acum aplicatiiele bazate pe aceste materiale au avut o piata extrem de mica. Care ar fi atunci avantajul siliciului daca ar fi termoelectric? Pentru ca este peste tot pe Pamint si pentru ca se stie extrem de mult despre cum trebuie fabricat.

Un ingredient esential in producerea de energie electrica din caldure este diferenta de temperatura la care este supus materialul termoelectric. Din acest motiv aceste materiale conduc de obicei caldura foarte prost. Siliciul, pe de alta parte, conduce caldura extrem de bine. Asta inseamna ca lipit de o suprafata calda cealalta suprafata devine calda aproape instantaneu. Mai sint si alti parametri care sint importanti cum ar fi resistenta electrica a materialului (numarul de electroni care pot fi folositi pentru curentul electric) sau temperatura. Toti acesti parametri sint adunati intr-o formula din care este calculat un numar ce nu are unitati fizice numit ZT, a carui valoare descrie valoarea termoelectrica a materialului. Materiale tipic termoelectrice, ca BiTe au ZT in jurul lui unu sau putin sub-unitar (0.1 pina la 1). Siliciul are un ZT de 0.01 la temperatura camerei, valoare insignifianta pentru orice aplicatie.

In numarul din 10 ianuarie 2008 al revistei Nature, doua grupuri americane, de la Universitatile Berkeley si Caltech, au aratat ca pot atinge valori pentru ZT de 0.6 la temperatura camerei folosind nano-fire de siliciu, cu diametre de 20 de nanometri (doua sute de atomi). Nano-firele de siliciu nu sunt in momentul de fata foarte greu de fabricat insa valoarea rezultatului este data de faptul ca au putut masura, la aceste distante extrem de mici, energie electrica produsa de temperatura. Pentru a da cititorului o analogie, ceea ce ni se prezinta ca temperatura constanta la nivel macroscopic arata ca un uragan colosal pentru fiinte nano-metrice (o bilionime dintr-un metru), ceea ce duce la variatii locale mari in parametrii de masurat. Fenomenul fizic care face posibil ca, folosind acelasi material, care in mod normal conduce extrem de bine caldura sa devine bun izolator termic si prin asta bun termoelectric, este faptul ca mecanismul de conducere a caldurii prin fononi (oscilatii ale retelei cristaline) este diminuat din cauza dimensiunii reduse.

Desi mai exista detalii stiintifice care trebuie lamurite, avem acum dintr-o data o imbunatatire a termoelectricitatii siliciului de aproape 100 de ori, fapt care face ca acest material pe care ne bazam evolutia technologica, sa devina din „extrem de prost termoelectric” „acceptabil”. Acest lucru este suficient sa garanteze o adevarata „goana dupa aur” intr-un domeniu care nu exista in 2007.

Sursa Originala: Nature. Ştire prelucrată de www.stiinta.info.

[www.stiinta.info]

Comentarii

Adauga un comentariu

Adauga un comentariu

This is a captcha-picture. It is used to prevent mass-access by robots. (see: www.captcha.net)
Introdu codul:
Numele dumneavoastra:
Comentariu. Atentie, salveaza textul inainte de a-l trimite, ca o precautiune... Poti selecta tot comentariul cu CTRL-A si copia cu CTRL-C:
 
  • January 18, 2008, 2:49 am - Alexandru Ionut Lerescu

    Unitatile pe care le dai tu nu sint cele care se folosesc in practica. Numarul asta ZT este dat de S^2 * sigma * T / k, unde S este coeficientul Seebeck, sigma este conductivitatea materialului, T temperatura si k este conductivitatea termica. Acuma, valorile tipice pentru termoelectrici metalici (ca BixTey) sint date pentru coef Seebeck care este aproximativ 1 mV/Kelvin (cate este de fapt ceea ce lumea numeste thermopower). Conductivitatea termica pentru materialul asta este joasa cu conductivitate electrica mare (metal) si de aceea figura de merit creste. Ce au facut ei in articol este ca au lucrat la raportul din ZT. Au facut ca conductanta electrica a nanofirelor sa nu descreasca foarte mult, maxim un ordin de marime, prin dimensiuni mici a scazut extrem de mult k (aproape devenind izolaor termic) si au crescut putin si S, care creste datorita "phonon drag" cum spun ei (desi firele sint mai mici decit "mean free path" pentru fononi. Asta inseamna ca S, in final ajunge aproape la 200 microV/Kelvin. Deci tensiunea este nu cu mult diferita de cazul metalic (poate cu un ordin de marime mai mic) dar sistemul nu mai conduce caldura deci se da posibilitatea sa se creeze aceasta tensiune termoelectrica...


  • January 16, 2008, 5:19 pm - cristi

    Termoelectricele actuale obtin cam 50 microWatt/cm2/10grade celsius diferenta. Siliciul asta da macar 1 microwatt?

    Sa inteleg ca pe bataie lunga se vor cipuri integrate din siliciu, automome? Le bagi in piele si ele stau o viata acolo, preluand energia de la temperatura corpului? Frumos viitor ne construiesti tu...