Команде исследователей, возглавляемой профессором физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Крисом Риганом, удалось создать термоэлектрические охладители толщиной в 100 нанометров — примерно одну десятимиллионную часть метра. Кроме того, они разработали инновационный метод измерения охлаждающей способности новых установок. Результаты публикует журнал ACS Nano.
«Мы сделали самый маленький холодильник в мире», — заявил Крис Риган, ведущий автор статьи о новом исследовании.
Однако, ученые объясняют, эти крохотные устройства не являются холодильниками в обычном понимании — здесь нет дверей или контейнеров. Но в более крупных масштабах та же технология используется для охлаждения компьютеров и других электронных устройств, а также для регулирования температуры в оптоволоконных сетях и для уменьшения «шума» изображения в телескопах высшего класса и цифровых камерах.
Эти устройства, созданные путем размещения двух разных полупроводников между металлизированными пластинами, работают двумя способами. При нагревании одна сторона становится горячей, а другая остается прохладной; эту разницу температур можно использовать для выработки электроэнергии. В будущем аналогичные устройства могут использоваться для улавливания тепла из выхлопных газов автомобиля для питания его кондиционера.
Но этот процесс также можно запустить в обратном направлении. Когда к устройству подается электрический ток , одна сторона становится горячей, а другая — холодной, что позволяет ему служить в качестве охлаждающего устройства. Эта расширенная технология может однажды заменить систему сжатия пара в реальном холодильнике и сохранить, например, газировку холодной в реальной жизни.
Стандартное термоэлектрическое устройство, состоящее из двух полупроводниковых материалов, зажатых между металлизированными пластинами. Предоставлено: Wikimedia Commons.
Для создания своих термоэлектрических охладителей команда Ригана, в которую вошли шесть студентов UCLA, использовала два стандартных полупроводниковых материала: теллурид висмута и теллурид сурьмы-висмута. Они прикрепили обычный скотч к кускам обычного сыпучего материала, сняли его, а затем извлекли тонкие однокистальные хлопья из материала, все еще прилипшего к ленте. Из этих хлопьев они сделали функциональные устройства толщиной всего 100 нанометров и общим активным объемом около 1 кубического микрометра, невидимые невооруженным глазом.
«Мы побили рекорд самого маленького термоэлектрического холодильника в мире более чем в десять тысяч раз», — заявил Синь И Лин, один из авторов статьи и бывший студент исследовательской группы Рейгана.
Сосредоточив внимание на наноструктурах — устройствах, по крайней мере, с одним размером в диапазоне от 1 до 100 нанометров — Риган и его команда надеются открыть новые способы синтеза более эффективных объемных материалов.
Еще одна отличительная черта наноразмерного «холодильника» — то, что он может реагировать практически мгновенно.
«Как только мы поймем, как термоэлектрические охладители работают на атомном и почти атомном уровнях, — объясняет Риган, — мы сможем масштабироваться до макроуровня, где есть еще большая выгода».
Это изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, показывает два полупроводника охладителя — одну чешуйку теллурида висмута и одну — теллурида сурьмы-висмута — перекрывающиеся в темной области в центре, где происходит большая часть охлаждения. Маленькие «точки» — это наночастицы индия, которые команда использовала в качестве термометров. Предоставлено: UCLA / Regan Group.
Измерение температуры в таких крошечных устройствах — непростая задача. Оптические термометры имеют низкое разрешение при таких малых масштабах, в то время как методы сканирующего зонда требуют специализированного дорогостоящего оборудования. Оба подхода требуют кропотливой калибровки. Риган высоко оценил работу своих учеников-исследователей по разработке и измерению производительности наноразмерных устройств.
Journal information