تبدیل حرارت تلف‌شده به برق به کمک نانوساختارهای قفس مانند
این نانوساختارهای آزمایشگاهی را می‌توان در نیروگاه‌های حرارتی تولید برق، اگزوز خودروها و مبدل‌های حرارتی ترکیبی به کار گرفت.
ماده‌ی ترموالکتریک قطعه‌ی جامدی است که انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. برخلاف ماشین‌های گرمایی رایج که دارای اجزای متحرکی هستند، مواد ترموالکتریک هیچ قسمت متحرکی ندارد و کاملاً بی‌صدا عمل می‌کند. این مولدهای برق به مدت سی سال بدون نیاز به نگهداری و تعمیر در کاوش‌های طولانی فضایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ترموالکتریک ها در مقایسه با ماشین‌های گرمایی رایج بازدهی کمتری دارند، اما برای کاربردهای کوچک که توان الکتریکی بالایی مورد نیاز نیست، می‌تواند مفید باشد. در سال‌های اخیر تلاش‌هایی در زمینه‌ی افزایش بازدهی تبدیل انرژی این مواد صورت گرفته است.
دکتر اشکان ذوالریاستین با اشاره به ساختارهای قفس مانند در رابطه با اهداف دنبال شده در این طرح گفت: «هدف از انجام این طرح توسعه‌ی مواد ترموالکتریکی دارای هدایت حرارتی پایین و هدایت الکتریکی بالا بوده است. ترکیبات با ساختار قفسی شکل به دلیل ریزساختار منحصربه‌فردشان می‌توانند این خاصیت را برای ما ایجاد کنند. به‌علاوه افزودن نانوذرات به این ساختارها و ایجاد ریزساختار نانوکامپوزیتی می‌تواند این خاصیت را ارتقا بخشد.»
به کمک این نانوساختارهای کامپوزیتی می‌توان هزینه‌های مربوط به اتلاف انرژی حرارتی را تا حد زیادی کاهش داد. به‌علاوه با تبدیل حرارت اتلافی به برق می‌توان تا حدودی از مصرف سوخت‌های فسیلی و آلودگی هوا نیز جلوگیری به عمل آورد.
ذوالریاستین در ادامه ساختار اتمی مواد قفسی شکل را تشریح کرد و در خصوص سازوکار رفتار ترموالکتریک این ساختارها افزود: «ساختار اتمی این ترکیبات به‌گونه‌ای است که اتم‌ها چارچوبی قفس مانند را برای یک اتم سنگین ایجاد می‌کند. انتقال حرارت درون این ماده و عبور فنون‌ها و الکترون‌ها، اتم سنگین حبس شده درون قفس اتمی را به لرزه در می‌آورد و این موضوع کاهش انتقال حرارت و افزایش خواص ترموالکتریک را به دنبال دارد. کاهش ابعاد این قفس‌ها و یا ایجاد ساختار نانوکامپوزیتی منجر به افزایش چشمگیر خاصیت ترموالکتریک این ترکیبات می‌شود.»
در طرح حاضر ترکیبات با ساختار قفس مانند با اتم حبس شده‌ی باریوم در قفس ایجاد شده با اتم‌های سیلیسیوم یا ژرمانیوم به‌صورت نانوکریستال، نانوسیم و نانوکامپوزیت حاوی نانوذرات سرامیکی یوروپیوم تیتانات و کاربید سیلیسیوم با روش‌های مختلف سنتز شده‌اند. فرایندهای مورد استفاده جهت سنتز این ترکیبات آلیاژسازی مکانیکی، پرس گرم، ریسندگی مذاب، پلاسما جرقه‌ای و پرتو یونی متمرکزشده بوده است. تأثیر پارامترهای فرایند بر روی اندازه، ریزساختار، خواص فیزیکی و خاصیت ترموالکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است.
به گزارش ستاد توسعه فناوری نانو،این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر اشکان ذوالریاستین – محقق پسادکترای دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی- و پژوهشگرانی از کشورهای اتریش، آلمان و سوئیس است. نتایج این کار در مجله‌ی Physica Status Solidi (جلد 213، شماره‌ی 3، سال 2016، صفحات 784 تا 801) به چاپ رسیده است.
No tags for this post.دکتر اشکان ذوالریاستین با اشاره به ساختارهای قفس مانند در رابطه با اهداف دنبال شده در این طرح گفت: «هدف از انجام این طرح توسعه‌ی مواد ترموالکتریکی دارای هدایت حرارتی پایین و هدایت الکتریکی بالا بوده است. ترکیبات با ساختار قفسی شکل به دلیل ریزساختار منحصربه‌فردشان می‌توانند این خاصیت را برای ما ایجاد کنند. به‌علاوه افزودن نانوذرات به این ساختارها و ایجاد ریزساختار نانوکامپوزیتی می‌تواند این خاصیت را ارتقا بخشد.»
به کمک این نانوساختارهای کامپوزیتی می‌توان هزینه‌های مربوط به اتلاف انرژی حرارتی را تا حد زیادی کاهش داد. به‌علاوه با تبدیل حرارت اتلافی به برق می‌توان تا حدودی از مصرف سوخت‌های فسیلی و آلودگی هوا نیز جلوگیری به عمل آورد.
ذوالریاستین در ادامه ساختار اتمی مواد قفسی شکل را تشریح کرد و در خصوص سازوکار رفتار ترموالکتریک این ساختارها افزود: «ساختار اتمی این ترکیبات به‌گونه‌ای است که اتم‌ها چارچوبی قفس مانند را برای یک اتم سنگین ایجاد می‌کند. انتقال حرارت درون این ماده و عبور فنون‌ها و الکترون‌ها، اتم سنگین حبس شده درون قفس اتمی را به لرزه در می‌آورد و این موضوع کاهش انتقال حرارت و افزایش خواص ترموالکتریک را به دنبال دارد. کاهش ابعاد این قفس‌ها و یا ایجاد ساختار نانوکامپوزیتی منجر به افزایش چشمگیر خاصیت ترموالکتریک این ترکیبات می‌شود.»
در طرح حاضر ترکیبات با ساختار قفس مانند با اتم حبس شده‌ی باریوم در قفس ایجاد شده با اتم‌های سیلیسیوم یا ژرمانیوم به‌صورت نانوکریستال، نانوسیم و نانوکامپوزیت حاوی نانوذرات سرامیکی یوروپیوم تیتانات و کاربید سیلیسیوم با روش‌های مختلف سنتز شده‌اند. فرایندهای مورد استفاده جهت سنتز این ترکیبات آلیاژسازی مکانیکی، پرس گرم، ریسندگی مذاب، پلاسما جرقه‌ای و پرتو یونی متمرکزشده بوده است. تأثیر پارامترهای فرایند بر روی اندازه، ریزساختار، خواص فیزیکی و خاصیت ترموالکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است.
به گزارش ستاد توسعه فناوری نانو،این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر اشکان ذوالریاستین – محقق پسادکترای دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی- و پژوهشگرانی از کشورهای اتریش، آلمان و سوئیس است. نتایج این کار در مجله‌ی Physica Status Solidi (جلد 213، شماره‌ی 3، سال 2016، صفحات 784 تا 801) به چاپ رسیده است.
