Термоэлектрические генераторы, машины, которые вырабатывают электричество за счет разницы температур, уже существуют, но эффективность преобразования в них энергии, как правило, достаточно низка. Для повышения производительности потребуются материалы, которые одновременно обладают высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью. Однако эти два требования часто являются взаимоисключающими.

тепловая машина, квантовая точка, суперпозиция

Хотя многие из принятых сегодня теорий классической термодинамики даже предшествовали промышленной революции, развитию которой они способствовали, остается много открытых вопросов о том, как эти идеи переносятся на уровень одиночных квантовых систем. В частности, возможность суперпозиции состояний имеет еще неисследованные последствия для термодинамического поведения. Мало того, что они ведут себя аналогично тепловой машине и холодильнику, но и являются их суперпозицией одновременно.

 

За последние несколько лет несколько исследовательских групп по всему миру показали, что термоэлектрическое преобразование может быть значительно улучшено за счет использования квантовых эффектов. Например, при использовании квантовых точек, которые действуют как высокоселективные энергетические фильтры, способных резко увелить эффективность преобразования. В некоторых случаях удалось даже приблизиться к пределам, установленным законами термодинамики.

 

Но существует проблема: квантовые машины, также называемые квантовыми тепловыми двигателями, должны быть охлаждены до очень низкой температуры – всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Поэтому реально использовать их в повседневной жизни проблематично.

 

Исследователи из Empa пытаются решить эту проблему и создать квантовый тепловой двигатель, работающий при комнатной температуре, используя графеновые наноленты. Ученым удалось заставить графеновые наноленты вести себя как квантовые точки, причем некоторые из них стабильны до температуры -123 градуса Цельсия, т.е. при гораздо более высоких температурах, чем квантовые точки, использовавшиеся ранее для термоэлектрического преобразования.

 

 

Новая задача состоит в том, чтобы интегрировать такие графеновые наноленты в квантовый тепловой двигатель и заставить его работать при комнатной температуре. Поскольку наноленты имеют размер всего несколько нанометров, контакт с ними потребует разработки специальных технологий изготовления. Кроме того, для характеристики эффективности преобразования энергии потребуются специально разработанные системы измерения.

 

Если прогнозы ученых оправдаются, то уже в ближайшие годы удастся создать крошечную тепловую машину на чипе. Она могла бы не только генерировать электрическую энергию из отработанного тепла, но и, наоборот, за счет изменения принципа работы использоваться для эффективного охлаждения.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!