क्रिस्टल में असामान्य तरंग-समान ऊष्मा परिवहन अपशिष्ट ऊष्मा को विद्युत में परिवर्तित करने की क्षमता को बढ़ा सकता है।

वैज्ञानिकों ने एक क्रिस्टलीय पदार्थ में एक असामान्य तरंग-समान ऊष्मा परिवहन तंत्र की पहचान की है जो औद्योगिक अपशिष्ट ऊष्मा को बिजली में परिवर्तित करने की नई संभावनाएं खोल सकता है।

बेंगलुरु स्थित जवाहरलाल नेहरू उन्नत वैज्ञानिक अनुसंधान केंद्र (जेएनसीएएसआर) के शोधकर्ताओं और उनके सहयोगियों ने थैलियम कॉपर सेलेनाइड (TlCu5Se3) नामक कॉपर चैल्कोजेनाइड पदार्थ में इस घटना का अवलोकन किया है।

इस खोज के उपयोगी अनुप्रयोग ऊष्माविद्युत ऊर्जा रूपांतरण में हो सकते हैं, विशेष रूप से उन क्षेत्रों में जो बड़ी मात्रा में अपशिष्ट ऊष्मा उत्पन्न करते हैं, जिनमें बिजली संयंत्र, सीमेंट और इस्पात उद्योग, ऑटोमोबाइल और डेटा केंद्र शामिल हैं। इसके अतिरिक्त, बैटरी ऊष्मा प्रबंधन और तापीय प्रौद्योगिकियों में भी इसके संभावित अनुप्रयोग हो सकते हैं।

यह अध्ययन साइंस एडवांसेज नामक पत्रिका में प्रकाशित हुआ है।

तांबे की सीमित गति असामान्य ऊष्मा परिवहन की कुंजी है

परंपरागत क्रिस्टलीय पदार्थों में, ऊष्मा का परिवहन मुख्य रूप से कण-समान कंपन के माध्यम से होता है जिन्हें फोनन कहा जाता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि TlCu5Se3 एक मध्यवर्ती अवस्था में कार्य करता है जहां ऊष्मा का परिवहन विभिन्न कंपन विधाओं के बीच तरंग-समान सामंजस्य के माध्यम से भी हो सकता है।

इस पदार्थ की जटिल क्रिस्टलीय संरचना, ढांचे के भीतर तांबे के परमाणुओं की गति को सीमित करती है। कुछ सुपरआयनिक पदार्थों में देखी जाने वाली लंबी दूरी की, तरल-जैसी गति के बजाय, तांबे के परमाणु स्थानीयकृत गतिशील अव्यवस्था प्रदर्शित करते हैं।

शोधकर्ताओं के अनुसार, यह सीमित गति असाधारण रूप से मजबूत अनहार्मोनिसिटी उत्पन्न करती है – परमाणु कंपन में अनियमितताएं जो पारंपरिक ऊष्मा प्रसार को बाधित करती हैं।

परिणामस्वरूप, ऊष्मा परिवहन पर तरंग-समान फोनन सुसंगति का प्रभुत्व हो जाता है, जिसमें फोनन प्रभावी रूप से परिभाषित कणों के रूप में यात्रा करने के बजाय स्थानीयकृत कंपन अवस्थाओं के बीच सुरंग बनाते हैं।

इस सामग्री का थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन 1.7 के स्तर का है।

असामान्य तापीय व्यवहार के साथ अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक परिवहन गुणधर्म भी पाए जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप थर्मोइलेक्ट्रिक फिगर ऑफ मेरिट (zT) 1.7 होता है।

शोधकर्ताओं ने कहा कि इससे TlCu5Se3 को थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों के लिए रिपोर्ट किए गए सबसे उच्च प्रदर्शन वाले शुद्ध त्रिगुणीय चालकोजेनाइड्स में स्थान मिलता है।

यह यौगिक चतुर्भुजीय संरचना में क्रिस्टलीकृत होता है और इसमें क्रिस्टलीय सी-अक्ष के अनुदिश खुले चैनलों के साथ एक जटिल त्रि-आयामी, तिपतिया घास जैसी गाँठनुमा संरचना होती है। इसकी विशिष्ट बंधन संरचना को तांबे के उप-जाली की सीमित गतिशीलता के लिए जिम्मेदार माना जाता है।

उन्नत सिमुलेशन घटनाओं को समझाने में मदद करते हैं।

यह शोध जेएनसीएएसआर की नई रसायन विज्ञान इकाई के प्रोफेसर कनिष्क बिस्वास और उनके पीएचडी छात्रों सुश्री सायंतोनी चौधरी और डॉ. अनिमेष भुई के नेतृत्व में किया गया था।

टीम ने प्रथम-सिद्धांत गणनाओं और आणविक-गतिशीलता सिमुलेशन का उपयोग करके परमाणु गतिशीलता की जांच करने के लिए जेएनसीएएसआर की सैद्धांतिक विज्ञान इकाई के प्रोफेसर उमेश वी. वाघमारे और डॉ. प्रसाद वी. मतुकुमिल्ली के साथ सहयोग किया।

सिमुलेशन से पता चला कि तांबे के परमाणु सुपरआयनिक व्यवहार से जुड़े व्यापक प्रवास से गुजरने के बजाय स्थानीय रूप से अव्यवस्थित रहते हैं।

इन परिस्थितियों में ऊष्मा कैसे गति करती है, यह समझने के लिए शोधकर्ताओं ने तापीय परिवहन के एक एकीकृत ढांचे का उपयोग किया, जो पारंपरिक कण-जैसी फोनन प्रसार और विभिन्न फोनन शाखाओं के बीच तरंग-जैसी सुसंगतता दोनों को ध्यान में रखता है।

औद्योगिक अपशिष्ट ऊष्मा की पुनर्प्राप्ति की क्षमता

शोधकर्ताओं ने कहा कि ये निष्कर्ष दर्शाते हैं कि संरचनात्मक जटिलता और सीमित आयन गतिशीलता क्रिस्टलीय स्थिरता को बनाए रखते हुए ऊष्मा परिवहन को कैसे दबा सकती है।

अत्यंत निम्न जाली तापीय चालकता वाले पदार्थ थर्मोइलेक्ट्रिक ऊर्जा रूपांतरण, तापीय अवरोधक कोटिंग्स और उभरती हुई तापीय प्रबंधन प्रौद्योगिकियों के लिए महत्वपूर्ण हैं।

इसलिए, यह खोज अपशिष्ट ऊष्मा को कुशलतापूर्वक बिजली में परिवर्तित करने में सक्षम स्थिर सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए एक संभावित नया मार्ग प्रदान करती है, साथ ही जटिल क्रिस्टलीय प्रणालियों में अपरंपरागत ऊष्मा परिवहन में अंतर्दृष्टि भी प्रदान करती है।