gh ХОЛОДИЛЬНИК БЕЗ ФРЕОНА, ИЛИ ГОСТИ В КЛЕТКЕ У ХОЗЯЕВ

В этих удивительных соединениях в геометрически выверенных полостях "хозяев", как в клетках, бьются "гости" - одиночные атомы или ионы, не связанные прочными ковалентными связями с окружающими их атомами. Правда, без таких "гостей" и сами "хозяева" существовать не могут. Совсем недавно клатраты, от латинского clatratus - защищенный решеткой, были скорее экзотической штучкой в глазах даже химиков-профессионалов. Теперь при описании подобных структур кавычки опускают, а клатраты рассматривают как исключительно перспективные термоэлектрические материалы. Серьезных успехов в разработке сложных полупроводниковых клатратов добился коллектив химиков МГУ им. М.В. Ломоносова. Московским ученым удалось создать полупроводник, имеющий аномально низкую теплопроводность (0,45 Вт/мК). Это в 2,5 раза лучше (то есть меньше), чем у известных коммерчески доступных материалов.

Рассказать об особенностях термоэлектриков - материалах для активного охлаждения, и работе устройств на их основе согласился руководитель работы доктор химических наук профессор А.В.Шевельков. "Представим себе простейшее устройство, состоящее из двух из соединенных полупроводников n- и p-типа. При пропускании электрического тока в направлении от n- к p-полупроводнику носители зарядов - электроны (n) или дырки (p) - удаляются прочь от рабочего контакта, унося с собой тепло. Следовательно, рабочий контакт, называемый также активным элементом, охлаждается. Если создать батарею из соединенных между собой простейших устройств, можно добиться охлаждения почти на 150 градусов".

Чтобы сделать такие устройства, нужны соответствующие материалы с казалось бы противоречивыми свойствами - они должны хорошо проводить электричество и плохо - тепло. Те, что есть, работают пока не очень эффективно, и их свойства позволяют делать устройства для охлаждения электронной и лазерной аппаратуры, максимум - сумки-холодильники. Но, чтобы конкурировать с компрессорами обычных холодильников, термоэлектрики должны работать как минимум вдвое эффективнее, чем сейчас. Возможно, проблему удастся решить с помощью термоэлектриков на основе полупроводниковых клатратов.

"Дело в том, что, очень упрощенно говоря, в таких соединениях носители тепла и электричества пространственно разделены, - продолжает Андрей Владимирович. В том смысле, что каркас клатратов (хозяин) обладает электропроводностью - по нему перемещаются носители зарядов. А гости - атомы в полостях - своими колебаниями рассеивают тепло, обеспечивая материалам в целом низкую теплопроводность".

Как раз такие материалы - клатраты с каркасом из атомов олова, фосфора и некоторых других элементов, "в гостях" у которых - атомы иода, хлора или, например, теллура, создают и исследуют, причем весьма успешно, А.В. Шевельков и его коллеги. Работа это очень непростая. Синтезировать клатраты нужного состава, а потом и доказать, что все атомы в них расположены строго на своих местах, нелегко. Еще труднее добиться нужных свойств, в первую очередь - высокой термоэлектрической эффективности. Но первые успехи, в том числе и создание полупроводника с уникально низкой теплопроводностью, уже достигнуты.

Сейчас исследователи работают сразу в нескольких направлениях. Среди них - разработка материала, который способен работать при низких (ниже 160 К) температурах - это нужно для того, чтобы в будущем сделать термоэлектрические охладители для работы сверхпроводников. И, конечно, это разработка материалов, которые в перспективе можно будет использовать в промышленных и бытовых холодильниках нового типа, огромное преимущество которых заключается в том, что они не содержат движущихся частей и вредных химических хладагентов - фреонов, а значит, чрезвычайно надежны и экологически безопасны.

***