У прагненні ефективно перетворювати тепло в електрику, легкодоступні матеріали з нешкідливої сировини відкривають нові перспективи в розробці безпечних і недорогих так званих термоелектричних матеріалів. Відповідно до дослідження, нещодавно опублікованого в журналі Angewandte Chemie , синтетичний мідний мінерал набуває складної структури та мікроструктури завдяки простим змінам у своєму складі, закладаючи таким чином основу бажаних властивостей.
Новий синтетичний матеріал складається з міді, марганцю, германію та сірки, і його виробляють у досить простому процесі, пояснює матеріалознавець Еммануель Гільмо, дослідник CNRS у лабораторії CRISMAT, Кан, Франція, який є відповідним автором дослідження. «Порошки просто механічно сплавляються в кульовому млині з утворенням прекристалізованої фази, яка потім ущільнюється на 600 градусів за Цельсієм . Цей процес можна легко розширити», – каже він.
Термоелектричні матеріали перетворюють тепло в електрику. Це особливо корисно в промислових процесах, де відпрацьоване тепло повторно використовується як цінна електроенергія. Зворотний підхід – це охолодження електронних частин, наприклад, у смартфонах чи автомобілях. Матеріали, які використовуються для такого роду застосувань, повинні бути не тільки ефективними, але й недорогими і, перш за все, безпечними для здоров’я.
Однак термоелектричні пристрої, що використовуються на сьогоднішній день, використовують дорогі та токсичні елементи, такі як свинець і телур, які забезпечують найкращу ефективність перетворення. Щоб знайти безпечніші альтернативи, Еммануель Гільмо та його команда звернулися до похідних природних сульфідних мінералів на основі міді. Ці мінеральні похідні в основному складаються з нетоксичних і поширених елементів, а деякі з них мають термоелектричні властивості.
Тепер команді вдалося виготовити серію термоелектричних матеріалів, що демонструють дві кристалічні структури в одному матеріалі. «Ми були дуже здивовані результатом. Зазвичай незначна зміна складу практично не впливає на структуру в цьому класі матеріалів», — розповідає Еммануель Гільмо, описуючи своє відкриття.
Команда виявила, що заміна невеликої частини марганцю міддю створила складні мікроструктури з взаємопов’язаними нанодоменами, дефектами та когерентними поверхнями, що вплинуло на транспортні властивості матеріалу для електронів і тепла.
Еммануель Гільмо каже, що отриманий новий матеріал стабільний до 400 градусів за Цельсієм (750 градусів за Фаренгейтом ), що знаходиться в межах діапазону температури відпрацьованого тепла в більшості галузей промисловості. Він переконаний, що на основі цього відкриття можна створити нові дешевші та нетоксичні термоелектричні матеріали, які замінять більш проблемні матеріали.
