Νέο θερμοηλεκτρικό υλικό

Από το PhysicsWeb, Οκτώβριος 2003

Ερευνητές στις ΗΠΑ, με επικεφαλής το Γρηγόρη Μερκούρη Κανατζίδη, έχουν ανακαλύψει ένα μεταλλικό κράμα που δεν διαστέλλεται αλλά ούτε και συστέλλεται όταν θερμαίνεται και συγχρόνως είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού. Το υλικό θα μπορούσε να έχει εφαρμογές στα συστήματα που αντιμετωπίζουν μεγάλες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, όπως μηχανές και αυτοόματους μηχανισμούς κίνησης, όπως επίσης και στο διάστημα (Nature 425 702).

Τα περισσότερα υλικά διαστέλλονται με την άνοδο της θερμοκρασίας, αν και ένας μικρός αριθμός υλικών συστέλλεται έχοντας αρνητικό συντελεστή θερμικής διαστολής. Αυτό όμως μπορεί να είναι κακό, ειδικά στις συσκευές όπως τα τηλεσκόπια ακρίβειας, που τα τμήματά τους πρέπει να διατηρούν τις μορφές τους σε μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών. Εάν συνδυαστούν όμως αυτοί οι δύο τύποι υλικών τότε μπορούν να σχηματίσουν ένα σύνθετο υλικό που δεν διαστέλλεται καθόλου καθώς  αλλάζει η θερμοκρασία. Τέτοια σύνθετα υλικά μηδενικού θερμικού συντελεστή είναι χρήσιμα επειδή μπορούν να αντισταθούν τις γρήγορες μεταβολές της θερμοκρασίας.

Ο Γρηγόρης Μερκούρης Κανατζίδης και οι συνάδελφοι του στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίτσιγκαν στο East Lansing, έχει ανακαλύψει τον τελευταίο καιρό ένα μη συνθετικό υλικό φτιαγμένο από ίσα μέρη υτέρβιου, γάλλιου και γερμάνιου στους 850 °C, το οποίο μετά έψυξαν στη θερμοκρασία δωματίου. Αυτό μπορεί να παρουσιάσει μηδενικό θερμικό συντελεστή και επιπλέον η νέα ένωση άγει τον ηλεκτρισμό, ενώ τα προηγούμενα παρόμοια υλικά ήταν μονωτές. Επιπλέον, το φαινόμενο παρατηρείται σε μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών - μεταξύ 100 και 400 Kelvin.

Ο Γρηγόρης Κανατζίδης και οι συνάδελφοι του θεωρούν ότι καθώς το δείγμα ψύχεται, γίνεται εσωτερική αναδιοργάνωση των ηλεκτρονίων. Συγκεκριμένα τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους των ατόμων του γαλλίου αποσυνδέονται και προσεγγίζουν τα άτομα του υττέρβιου, το κρυσταλλικό πλέγμα του οποίου διαστέλλεται καθώς υποδέχεται τα ηλεκτρόνια. Τα άτομα του γαλλίου, αφ' ετέρου, συστέλλονται. Επειδή τα άτομα του γαλλίου συστέλλονται λίγο μόνο, αυτό οδηγεί σε ένα θετικό συντελεστή θερμικής διαστολής προς μια κατεύθυνση. Εντούτοις, το υλικό μπορεί να προετοιμαστεί και να υποβληθεί σε μια τέτοια επεξεργασία έτσι ώστε να υπάρχει μια σχεδόν ίση αλλά αντίθετη θερμική συστολή προς τις άλλες δύο κατευθύνσεις. Αυτό μας οδηγεί σε μια αμελητέα γενική αλλαγή του όγκου.

"Ελπίζουμε ότι αυτά τα αποτελέσματα θα μας βοηθήσουν  να βρούμε υλικά μηδενικής διαστολής ανάμεσα σε ημιαγωγούς και διαμεταλλικά υλικά, που προηγουμένως δεν τα γνωρίζαμε", αναφέρει ο Κανατζίδης.

Ο Γρηγόρης Μερκούρης Κανατζίδης εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και γεννήθηκε το 1957 στη Θεσσαλονίκη. Αφού πήρε το πτυχίο του Χημικού από το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο το 1979, έκανε το διδακτορικό του στην Ανόργανη Χημεία στο Πανεπιστήμιο της Iowa το 1984, ενώ τώρα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν από το 1985.