Za objevem stojí tým vedený Fabianem Garmroudim, který se během výzkumu pohyboval mezi prestižními institucemi – od Technické univerzity ve Vídni po americké Los Alamos. Jejich recept na úspěch? Sloučit dva materiály, které se mechanicky zásadně liší, ale mají podobné elektronické vlastnosti. Konkrétně šlo o slitinu železa, vanadu, tantalu a hliníku (Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅), kterou spojili s kombinací bizmutu a antimonu (Bi₀.₉Sb₀.₁). Výsledek? Hybridní látka, která jako štít brání průchodu tepla, zatímco elektrický proud nechává proudit volně – ba dokonce rychleji než dřív.

Paradox, který trápil fyziky desetiletí

Většina dobrých vodičů elektřiny je zároveň skvělá ve vedení tepla. Jenže pro účinný termoelektrický materiál je to přesně to, co nechcete. Teplo by se mělo ideálně zastavit, zatímco elektrony by měly svištět vpřed. Tento paradox – nazývaný také konduktivní kompromis – držel vývoj dlouho zpátky. Garmroudi a jeho kolegové ho nyní obešli tím, že využili rozdílných mřížkových vibrací v jednotlivých materiálech.

V krystalických látkách se teplo šíří nejen díky elektrickým nábojům, ale také skrze vibrující atomy – tzv. fonony. Když však narazí na rozhraní mezi dvěma odlišnými krystaly, šíření vibrací se zpomalí nebo úplně zastaví. To se podařilo vytvořit právě v této nové hybridní slitině – a zároveň zachovat plynulý tok elektronů.

Zdroj: Shutterstock

Mikroskopická rozhraní jako superdálnice pro elektřinu

Při lisování práškových forem výše zmíněných materiálů pod vysokým tlakem a teplotou vznikla struktura, ve které se částice BiSb usazují mezi zrny slitiny FeVTaAl. Tato mikroskopická rozhraní plní dvojí úlohu – zabraňují šíření tepla a současně podporují tok elektrického proudu. A co je ještě zajímavější: BiSb na těchto rozhraních vytváří tzv. topologicky izolující fázi. To znamená, že uvnitř se chová jako izolant, ale na povrchu umožňuje téměř bezztrátový tok elektrického náboje.

Výsledkem je efektivní oddělení vedení tepla a elektřiny – tedy přesně to, co si fyzici dlouhá léta přáli.

Dvakrát větší účinnost než dřív

Měřitelné výsledky tohoto materiálového inženýrství na kvantové úrovni přinesly ohromující čísla. Účinnost přeměny tepla na elektrickou energii vzrostla o více než 100 %. To je více než dvojnásobek oproti běžně používaným termoelektrickým materiálům.

Fabian Garmroudi to shrnuje jasně:
„Díky tomuto přístupu jsme se přiblížili našemu cíli vyvinout materiál, který se vyrovná dnes komerčně používaným sloučeninám na bázi teluridu bizmutitého. Ty se používají od 50. let, ale jsou drahé a málo stabilní. Náš hybridní materiál je levnější a stabilnější – a účinnost má dvojnásobnou.“

Nová generace termoelektriky: chytré senzory bez baterií?

Termoelektrické materiály mají obrovský potenciál zejména tam, kde je třeba získat energii z malého množství tepla – například v senzorech, nositelné elektronice, ale i v průmyslových aplikacích, kde vzniká velké množství odpadního tepla. V kontextu internetu věcí mohou nové hybridní materiály zásadně změnit pravidla hry: umožní konstrukci senzorů, které nepotřebují baterii ani napájení ze sítě – jednoduše si vystačí s rozdílem teplot mezi okolím a tělem zařízení.