Nature Magazine’de yayımlanan yeni bir çalışmada, yüksek elektrik iletkenliği ve düşük ısı iletkenliği gibi çelişkili iki özelliği birleştiren yeni bir malzeme tanıtıldı.

Atık ısıyı elektriğe dönüştüren termo-elektrik malzemeler, sürdürülebilir enerji çözümleri için uzun süredir araştırılıyor. Bu malzemeler kullanılarak güneş panelleri ve elektroniklerde verimin arttırılması ve performansın yükseltilmesi hedefleniyor. Nature Communications’da yayımlanan yeni bir çalışma, yüksek elektrik iletkenliği ve düşük ısı iletkenliği gibi iki zıt özelliği birleştiren ve termo-elektrik verimliliğini önemli ölçüde artıran hibrit bir malzemesunuyor. Bu yeni malzeme ile enerji geri kazanımı ve soğutma teknolojilerinde önemli bir adım atılmış oluyor.

Bir alet, makina ya da cihazın çalışması sonucu ortaya çıkan ve kullanım amacını desteklemeyen ısıya "Atık Isı" denir. Bir bilgisayarın çalışmasından, ampülün yanmasından veya ev aletlerinin kullanımından dolayı ortaya çıkan ısı, atık ısıya örnek gösterilebilir.

Termo-elektrik Malzemeler ve Termo-elektrik Verimlilik

Termo-elektrik malzemeler atık ısıyı elektrik enerjisine dönüştürür. Giyilebilir teknolojilerde ve düşük güç gerektiren sensörler gibi az enerji gereken uygulamalarda pil ihtiyacını kaldırmakta ve yüksek enerji uygulamalarında verimi arttırmaktadır.

Termo-elektrik verimlilik,bir malzemenin elektriği metal gibi iletirken ısıyı cam gibi bloke etme yeteneğinin ölçüsüdür. Bu ikili davranış, boyutsuz ZT parametresi ile ölçülür:

Burada S "Seebeck" katsayısını, σ elektrik iletkenliğini, T sıcaklığı ve κ ısı iletkenliğini temsil eder.

Termo-elektrik verimliliği fazla olan bir malzeme:

1. Elektronları verimli taşımalı (yüksek σ değeri)
2. Isı akışını engellemeli (düşük κ değeri)

Geleneksel malzemelerde bu özellikler birbiriyle çelişmektedir. Bunun sebebi ise, elektrik iletkenliğini artıran düzenli atomik yapılar, ısı iletkenliğini de yükseltir. Yeni hibrit malzeme, elektron ve ısı taşınım yollarını nano ölçekte ayırarak bu dengeyi başarıyla kurmaktadır.

Güncel Teknolojide Kullanılan Malzemeler

Günümüzde yüksek performanslı termo-elektrikler iki gruba ayrılır:

1. İnorganik alaşımlar:

Bizmut tellürür (Bi₂Te₃) ve kurşun kalkojenitler (PbTe, PbSe), ZT değerleri (1.5–2.0) nedeniyle öne çıkar. Bu malzemeler, ağır atomlar ve nano-yapılandırması sayesinde bir yandan ısı taşıyan fononları (titreyen atomlar) dağıtır bir yandan da elektron hareketliliğini korur.

2. Organik Yarı İletkenler:

PEDOT:PSS gibi polimerler esneklik ve düşük κ sunar, ancak aynı zamanda düşük olan σ değerlerinden dolayı ZT değerleri azdır.

Ancak bu malzemelerin dezavantajları vardır:

• Bizmut dünyada az miktarda bulunmaktadır ve tellürtoksiktir.
• Kurşun içeren alaşımlarçevresel risk taşır.
• Organik polimerleryüksek sıcaklıklarda dayanıksızdır.

Mevcut Teknolojinin Ötesinde Yeni Hibrit Malzeme

Çalışma, iletken polimerler (organik) ile nano-yapılı metal oksitleri (inorganik) birleştiren hibrit bir kompozit sunuyor. Bu tasarım, her iki grubun avantajlarını birleştirmektedir.

• Elektrik İletkenliği: Polimer matris, elektronlar için yüksek iletkenlik sağlayarak Bi₂Te₃ seviyelerine ulaşıyor.
• Isı Yalıtımı: İnorganik nanoparçacıklar, nano ölçekte fononları dağıtarak ısı iletkenliğini saf polimerlere göre %40 azaltıyor.

Yeni Hibrit Malzeme, çözelti tabanlı üretimi ile düşük maliyetli ve geniş ölçekli üretim imkanı sunuyor. Bunun yanında Kurşun veya Tellür gibi toksik elementler içermiyor. Hibrit malzeme, 400 K'de ZT = 2.5değerine ulaşarak inorganiklerin (ZT ~2.0) ve organiklerin (ZT <0.5) önüne geçiyor. 500 K’ye kadar kararlılığını koruyarak endüstriyel düzeyde atık ısı geri kazanım imkanı sunuyor.

Uygulama Alanları

1. Atık Isıdan Enerji Üretimi: Fabrika, araç veya santral egzoz ısısının elektriğe dönüşümü yapılabilmektedir.

2. Giyilebilir Elektronikler: Esnek, hafif termo-elektrik jeneratörlerle kendi kendine çalışan sensörlerde kullanılabilmektedir.

3. Çevreci Soğutma: Sera gazı üretmeyen katı hal soğutucular tasarlanabilmektedir.

Sonuç ve Değerlendirme

Nano ölçekte malzeme tasarımını yeniden kurgulayan bu hibrit yaklaşım, termo-elektriklerdeki tarihsel iletkenlik çelişkisini çözmektedir. Yalnızca mevcut malzemeleri geride bırakmakla kalmıyor, aynı zamanda küresel sürdürülebilirlik hedefleriyle uyumlu, verimli enerji teknolojilerine doğru kritik bir adımı temsil ediyor diyebiliriz.

Hibrit malzemenin ölçeklenebilirliği ve toksik olmayışı, ticarileşme önündeki engelleri kaldırmaktadır. Gelecek çalışmalar, yüksek sıcaklıklara uyum ve gerçek cihazlara entegrasyon üzerine odaklanacak gibi durmaktadır.