22 min

Nya sätt att bygga material som förvandlar värme till el

Genom att styra strukturer på nanometerskala kan Per Eklund bygga material med helt nya egenskaper. Bland annat forskar han på termoelektriska material som kan omvandla värme till elektricitet.

Per Eklund

Docent i materialvetenskap, främst tunnfilmsfysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Linköpings universitet

Forskningsområde:
Termoelektriska material

– Vi utvecklar metoder för att göra tunna, flexibla filmer där vi styr sammansättning och nanostrukturer. På så sätt kan vi styra termiska och elektriska egenskaper. Men metoderna kan också tillämpas mycket bredare, till att skapa nästan vilken egenskap som helst.

Per Eklund är Wallenberg Academy Fellow vid Linköpings universitet. Här har han bland annat arbetat med metoder för att ta fram nya så kallade termoelektriska material. Det är material som har förmågan att omvandla värmeskillnaden mellan olika delar av ett material till elektrisk ström. Det kan egentligen alla material göra i viss mån, men för att det ska fungera bra behöver omvandlingen från värme till el vara effektiv. Dessutom bör materialet vara en bra elektrisk ledare, samtidigt som det är en dålig värmeledare. Det är ovanligt. Om man förstärker en av de tre egenskaperna brukar de andra också förändras. Men Per Eklund och hans kollegor har lyckats åstadkomma bra termoelektriska egenskaper i tunna filmer byggda på flera olika material, bland annat oxider, och kromnitrid – en kemisk förening av krom och kväve.

Oordning, porer och lager skapar nya egenskaper

I grunden ligger det faktum att värmetransporten i ett material kan ske antingen genom att elektroner leder värmen, eller genom att kristallgittret i ett kristallint material är värmeledande. I termoelektriska material är man alltså ute efter dålig värmeledning, samtidigt som man inte vill påverka den elektriska ledningsförmågan. Per Eklund gör det genom att styra kristallina material så att de får en struktur som imiterar glas.

– Man vill ha oordning i materialet. Om värmeledningen sker i gittret och man får bort gittret blir värmeledningsförmågan väldigt låg. Det kan vi åstadkomma med olika typer av legeringar, eller genom att dopa ämnet eller införa defekter. Vi introducerar strukturer som sprider värmeledningen.

Något som gruppen också fått att fungera bra är nanoporösa material som leder ström, men på grund av porerna leder värme dåligt. Per Eklund har utvecklat nya sätt att styra storleken och distributionen av porerna. Dessutom arbetar han med lagrade material, där olika atomslag ligger i lager på varandra. Han har hittat en ny mekanism som gör det möjligt att byta ut enskilda atomlager i materialet.

– Båda de metoderna kan vi använda för att utveckla termoelektriska egenskaper, men inte enbart det. Det finns mycket bredare tillämpningsområden.

Grundvetenskapen det allra roligaste

Termoelektricitet är främst användbart när man inte har tillgång till elnätet, när batterier är ett dåligt alternativ och solceller inte fungerar eller inte är pålitliga nog. Militärutrustning är ett exempel. Ett annat är sensorer på svårtillgängliga platser, som i skorstenar. Det svåra enligt Per Eklund är att skapa material som går att använda i stor skala. Ett viktigt steg har tagits genom råvarorna som är betydligt vanligare än de material som dominerar dagens termoelektriska komponenter, till exempel det extremt sällsynta ämnet tellur. Men fortfarande är vägen lång till masstillämpningar.

– I specialiserade nischer finns det en marknad, men tekniken är inte redo för bredare användning. Jag tror att lösningen är att börja i de där nischerna och utöka dem stegvis. Ett exempel är just elektricitet till sensorer på svårtillgängliga platser. Det är ett område där man kommit ganska långt i utvecklingen men där det ännu inte används.

Per Eklunds grupp har samarbetat med ett företag som utvecklat en termoelektronisk komponent som utnyttjar spillvärme. Men även om det är värdefullt att lägga grunden för kommersiella produkter, så är han noga med att betona att det han arbetar med är grundforskning.

– Roligast rent vetenskapligt tycker jag är att ta fram generella metoder som går att använda i många olika sammanhang, som att hitta nya sätt att göra porösa eller lagrade material. De termoelektriska materialen är bara ett exempel på hur man kan styra egenskaper. Med våra nya syntesmetoder är målet att kunna styra materialen precis som vi vill.

”Det förlängda anslaget som Wallenberg Academy Fellow ger tryggheten att försöka göra något svårt. Det är ett privilegium.”

De bästa stunderna är när någon i gruppen kommer och visar ett överraskande resultat. Det kan vara ett lovande resultat, eller bara ett förvirrande. De har upptäckt något de inte hade tänkt sig från början.

– När jag reagerar med att ”det där ser intressant ut, men jag förstår det inte”, och så sätter vi oss och tittar på det från olika håll. Det är de upptäckterna jag tycker mest om.

Text Lisa Kirsebom
Bild Megan Dorri, Magnus Bergström