Если мы хотим предотвратить надвигающийся экологический кризис, совершенно необходимо найти эффективные и устойчивые способы избежать расточительства. Одной из областей, требующих значительных улучшений, является переработка отработанного тепла промышленных процессов и технологических устройств в электричество. Термоэлектрические материалы лежат в основе исследований в этой области, поскольку они позволяют производить экологически чистую энергию при небольших затратах.

Для использования термоэлектрических материалов в самых разных областях, таких как сталелитейные заводы и транспорт, они должны работать как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных режимах. В связи с этим «полугейслеровые сплавы на основе никеля» в настоящее время находятся в центре внимания благодаря их привлекательной термоэлектрической эффективности, механической прочности и долговечности. Несмотря на то, что было приложено много усилий для понимания и улучшения этих своеобразных сплавов, ученым было трудно объяснить, почему полугейслеровые сплавы на основе никеля имеют такую высокую эффективность преобразования. Некоторые предполагают, что дефекты кристаллической структуры материала увеличивают его теплопроводность и, в свою очередь, эффективность преобразования. Однако кристаллическая структура вокруг дефектов неизвестна, как и их конкретный вклад.

В недавнем исследовании, опубликованном в Scientific Reports, группа ученых из Японии и Турции во главе с доцентом Хидетоси Миядзаки из Технологического института Нагоя, Япония, попыталась прояснить этот вопрос! Их исследования объединили теоретический и экспериментальный анализ в виде крупномасштабного моделирования кристаллической структуры и спектров тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (XAFS) на сплавах NiZrSn.

Используя эти методы, команда сначала рассчитала структурные эффекты, которые дополнительный атом (дефект) Ni мог бы иметь в расположении кристаллов NiZrSn. Затем они проверили теоретические предсказания с помощью различных типов измерений XAFS, как объясняет доктор Миядзаки: «В нашей теоретической схеме мы предполагали, что искажения кристаллической решетки являются следствием атомных дефектов. Благодаря XAFS появилась возможность получить подробную информацию о локальной кристаллической структуре вокруг атомных дефектов путем сравнения экспериментальных и теоретических спектров кристаллической структуры». Эти наблюдения позволили ученым точно определить напряжение, которое дефекты Ni вызывают в соседних атомах.

Результаты этого исследования будут иметь решающее значение для развития термоэлектрической технологии, как отмечает д-р Миядзаки: «Мы ожидаем, что наши результаты будут способствовать разработке стратегии, сосредоточенной на контроле деформации вокруг дефектных атомов, что, в свою очередь, позволит нам разработать новые и лучшие термоэлектрические материалы». Будем надеяться, что это приведет к скачку в технологии термоэлектрического преобразования и ускорит переход к менее расточительному, декарбонизированному обществу, в котором избыточное тепло не просто сбрасывается, а используется как источник энергии.

В заключение д-р Миядзаки подчеркивает, что методы, используемые для наблюдения за тонкими изменениями деформации в кристаллических структурах, могут быть легко адаптированы к другим типам материалов, например, предназначенным для спинтронных приложений и катализаторов.

Конечно, есть много выгод от изучения мелких деталей в материаловедении, и мы можем быть уверены, что это исследование знаменует собой шаг в правильном направлении к лучшему будущему!