इन्टरनेट अफ थिङ्सका लागि क्रान्तिकारी प्रगति : वैज्ञानिकहरूले तातोबाट बिजुली उत्पादन गर्ने सामग्रीको क्षमता दोब्बर बनाउँदै

काठमाडौं — वैज्ञानिकहरूले दुई फरक भौतिक गुण भएका तर समान इलेक्ट्रोनिक विशेषता भएका पदार्थहरूलाई मिसाएर तातोबाट बिजुली उत्पादन गर्ने (thermoelectric) सामग्रीहरूको क्षमता दोब्बर बनाउन सफल भएका छन्।

यो नयाँ हाइब्रिड संरचनाले सूक्ष्म तहमा तातोको प्रवाह रोक्ने तर बिजुलीको प्रवाह सहज बनाइरहने क्षमता देखाएको छ, जसले आजका gold-standard सामग्रीहरू भन्दा सस्तो र स्थिर विकल्प विकास गर्नेतर्फ ठूलो आशा जगाएको छ — खासगरी इन्टरनेट अफ थिङ्स (Internet of Things) को बढ्दो बजारका लागि।

इन्टरनेट अफ थिङ्समा थर्मोइलेक्ट्रिक्सको भूमिकामा नयाँ उचाइ

Thermoelectric सामग्रीहरूले तातो ऊर्जा सिधै विद्युत् ऊर्जामा रूपान्तरण गर्न सक्छन्, जसले साना-साना सेन्सरहरू र उपकरणहरू चलाउन अत्यन्त उपयुक्त बनाउँछ।
तर, यी सामग्रीहरूको दक्षता बढाउनु निकै ठूलो चुनौती रहँदै आएको थियो।
दक्षता बढाउन, सामग्रीले दुईवटा काम एकैसाथ गर्नुपर्ने हुन्छ — lattice कम्पनमार्फत तातोको प्रवाह रोक्नु र इलेक्ट्रोनिक चार्जहरू स्वतन्त्र रूपमा बहन दिनु।
अहिलेसम्म यी दुवै लक्ष्य एकैसाथ हासिल गर्नु गाह्रो भइरहेको थियो।

तर, Fabian Garmroudi नेतृत्वको अनुसन्धान टोलीले नयाँ किसिमको हाइब्रिड सामग्री विकास गरेर यो चुनौती पार गरेका छन्।
उनीहरूको अनुसन्धान Nature Communications मा प्रकाशित भएको छ।

सामग्री हाइब्रिड्सद्वारा Conductivity को पारम्परिक समस्या समाधान

आदर्श thermoelectric सामग्री यस्तो हुनुपर्दछ जसले सजिलै बिजुली बहन गर्ने तर तातो बहन गर्ने क्षमता कम हुने।
तर, प्रायः राम्रो बिजुली बहन गर्ने सामग्रीहरूले तातो पनि सजिलै बहन गर्छन्।

“ठोस पदार्थमा तातो चार्ज क्यारियरहरू र क्रिस्टल lattice को कम्पनद्वारा सारिन्छ। Thermoelectric सामग्रीहरूमा lattice कम्पनबाट हुने तातो प्रवाहलाई दबाउने प्रयास गरिन्छ, किनकि यसले ऊर्जा रूपान्तरणमा योगदान गर्दैन,” पहिलो लेखक Fabian Garmroudi स्पष्ट पार्दछन्, जसले आफ्नो डॉक्टरेट TU Wien बाट प्राप्त गरेका थिए र अहिले Los Alamos National Laboratory (USA) मा Director’s Postdoctoral Fellow का रूपमा कार्यरत छन्।

पछिल्ला दशकहरूमा वैज्ञानिकहरूले सामग्रीको thermal conductivity घटाउने विभिन्न प्रविधि विकास गरेका छन्, तर यो नयाँ हाइब्रिड दृष्टिकोण अझै उच्च प्रदर्शनको सम्भावना देखाउँछ।

सूक्ष्म तहमा तयार गरिएका हाइब्रिड संरचनाहरू

Garmroudi ले Japan को National Institute for Materials Science मा Lions Award को सहयोगमा उत्कृष्ट thermoelectric गुण भएका नयाँ हाइब्रिड सामग्रीहरू विकास गरेका थिए।
अनुसन्धानका क्रममा, फलाम, भ्यानाडियम, टेन्टालम र एल्युमिनियमको मिश्र धातुको पाउडर (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) लाई बिस्मथ र एन्टिमोनीको पाउडर (Bi0.9Sb0.1) सँग मिसाएर उच्च ताप र दबाबमा एकसाथ प्रेस गरिएको थियो।

यी दुई सामग्रीहरूका रासायनिक र यान्त्रिक गुणहरू निकै फरक भएका कारण, उनीहरू atomic स्तरमा पूरै मिसिन सकेनन्। बरु, BiSb पदार्थले FeVTaAl मिश्र धातुको क्रिस्टलहरू बीच माइक्रोमिटर स्तरका इन्टरफेसहरूमा जम्ने प्रवृत्ति देखायो।

इन्टरफेसहरू जसले तातो रोक्छन् तर बिजुली गति बढाउँछन्

दुबै सामग्रीहरूको lattice संरचना यति फरक छ कि थर्मल कम्पनहरू एक क्रिस्टलबाट अर्को क्रिस्टलमा सजिलै सर्न सक्दैनन्।
यसले इन्टरफेसमा तातो प्रवाहलाई अत्यधिक बाधा पुर्‍याउँछ।
तर, समान इलेक्ट्रोनिक संरचनाका कारण चार्ज क्यारियरहरूको गति भने सजिलै रहन्छ र इन्टरफेसहरूमा अझ बढी तीव्र हुन्छ।

यसको मुख्य कारण हो — BiSb सामग्रीले topological insulator phase बनाउँछ, जुन एक किसिमको quantum सामग्री हो, जसले भित्री भागमा इन्सुलेट गर्ने तर सतहमा करिब loss-free चार्ज ट्रान्सपोर्ट सम्भव गराउँछ।

क्वान्टम इन्जिनियरिङद्वारा दक्षतामा १०० प्रतिशतभन्दा बढी वृद्धि

तातो र चार्ज ट्रान्सपोर्टलाई नियन्त्रित रूपमा अलग गर्न सक्ने क्षमताले सामग्रीको efficiency १०० प्रतिशतभन्दा बढी बढाउन सम्भव भएको अनुसन्धानकर्ताहरू बताउँछन्।

“हामी commercially उपलब्ध bismuth telluride आधारित compounds सँग प्रतिस्पर्धा गर्न सक्ने नयाँ thermoelectric सामग्री विकास गर्ने लक्ष्यमा एक ठूलाे कदम अघि बढेका छौं,” Garmroudi भन्छन्।
१९५० को दशकदेखि प्रयोगमा रहेको bismuth telluride आजसम्म पनि thermoelectrics को gold-standard मानिन्छ।

नयाँ विकसित hybrid सामग्रीहरूको विशेषता भनेको तिनीहरू धेरै स्थिर र तुलनात्मक रूपमा सस्ता छन् भन्ने हो।