การศึกษาขอบเขตวัสดุของเทอร์โมอิเล็กทริกส์

รูปที่1 เทอร์โมอิเล็กทริก
ที่มาhttps://www.chemeurope.com/en/news/

 

          พลังงานทางเลือก เป็นพลังงานที่ตอนนี้ ทั่วทุกมุมโลกในหน่วยงานภาครัฐให้การสนับสนุน ไม่ว่าจะเป็น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม หรือ ที่เห็นได้ชัดเจนขึ้นมาอีกจะเป็น พลังงานปิโตรเลียม ที่หันมาใช้น้ำมันทางเลือกมากขึ้นไม่ว่าจะเป็น B10 หรือ ไบโอเอทานอล10เปอร์เซ็นต์ แก๊สโซฮอลล์ ก๊าซแอลพีจี เพื่อลดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของน้ำมันเชื้อเพลิงในห้องเครื่องลง เพื่อควบคุมการปล่อยก๊าซพิษที่เรียกว่า น็อกส์(Nox) รวมถึงฝุ่นอนุภาคเล็กที่เรารู้จักกันดีใน Pm2.5 รวมถึง ได้เริ่มการรณรงค์ให้มีการใช้ยานยนต์ไฟฟ้ารวมถึงติดตั้งสถานีเติมพลังงานไฟฟ้าให้กับยานยนต์ไฟฟ้ามากขึ้นในอนาคตข้างหน้า แต่ทุกคนเคยทราบกันไหมว่า ยังมีวัสดุพลังงานทางเลือกอีกชนิดหนึ่ง ที่ก็ได้รับความนิยมในการวิจัยและพัฒนาปรับปรุง คุณสมบัติการนำไฟฟ้า รวมทั้งโครงสร้างวัสดุให้ดีขึ้นไปกว่าเดิม ใช่ครับเรากำลังกล่าวถึง เทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric) ที่เป็นอุปกรณ์พลังงานทางเลือกอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งเจ้าเทอร์โมอิเล็กทริกนี้คืออะไร มันสำคัญยังไงถึงได้เป็นวัสดุพลังงานทางเลือก อีกชนิดหนึ่งที่ไม่แพ้ พลังงานทางเลือกอื่นๆกันเลยทีเดียว เราไปติดตามรับชมกันได้เลย ณ บัดนี้


          อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกซ์(Thermoelectric) เป็นอุปกรณ์ที่ทำการเปลี่ยนจากพลังงานความร้อนให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ หรือในทางตรงกันข้าม เทอร์โมอิเล็กทริกก็ยังสามารถเปลี่ยนจากพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานความร้อนได้เช่นเดียวกัน โดยอาศัยหลักการสั่นสะเทือนของโครงสร้างวัสดุเชิงควอนตัมฟิสิกส์ ผ่านตัวกลางวัสดุที่เรียกว่า วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก เมื่อวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกนั้นได้รับอุณหภูมิที่แตกต่างกันจะเกิดการถ่ายเทอุณหภูมิจากอุณหภูมิสูงไปยังอุณหภูมิที่ต่ำกว่า และอีกทั้งยังมีการถ่ายเทความต่างศักย์ไฟฟ้าจาก ศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังศักย์ไฟฟ้าต่ำด้วยเช่นกัน ซึ่งการเคลื่อนที่นี้จะมี การเคลื่อนที่ของพาหะชนิดพี(p-type) และ พาหะชนิดเอ็น (N-type) โดยที่พาหะชนิดพี จะมีพาหะประจุส่วนมาก ที่เรียกว่าโฮล(Hole)ที่เป็นประจุบวก และในทางตรงกัน พาหะชนิดเอ็น(N-type) จะมีพาหะประจุส่วนมาก คือ อิเล็กตรอนที่เป็นประจุลบ ทำให้เกิดแลกเปลี่ยนพาหะระหว่างชนิดพีกับชนิดเอ็น จึงทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้าขึ้นในเทอร์โมอิเล็กทริก

 

รูปที่2 ส่วนประกอบของเทอรโมอิเล็กทริก
ที่มา https://sites.google.com/site/phy224pro/hlak-kar

 

          ซึ่งจากหลักการพื้นฐานเบื้องต้นของเทอร์โมอิเล็กทริก ทำให้นักวิจัยนั้นได้ทำการศึกษาและปรับปรุงประสิทธิภาพของเจ้าเทอร์โมอิเล็กทริกนี้กันอย่างแพร่หลาย จนได้มีทีมวิจัยจาก Rice University ได้ทดลองศึกษาการเกิดกระแสไฟฟ้าในเทอร์โมอิเล็กทริกร่วมกันกับใช้การตรวจจับทางเลเซอร์ออปติก(optical detection)ในขอบเขตของเกรน(grain boundaries)ที่มีส่วนผสมเส้นใยทองคำในระดับนาโนสเกล โดยที่ทำให้เกิดการตอบสนองของเทอร์โมอิเล็กทริกที่เปลี่ยนแปลงไป

 

          จากการศึกษาวิจัยทำให้ได้ผลการทดลองสามารถสรุปแบ่งเป็น2หัวข้อใหญ่ๆคือ 1.ขอบเขตของเกรนนั้นจะมีระนาบในวัสดุที่มีการจัดเรียงตัวที่ไม่เป็นระเบียบจึงส่งผลให้แรงอะตอมตลอดแนวนั้นเกิดการปรับตัวในการจับคู่ของอะตอมข้างเคียงกันอีกด้วย ต่อมาทางทีมวิจัยได้นำบิสมัทคริสตัลกับเส้นใยนาโนของทองนั้นมา bindทำการทดสอบวัดอีกครั้ง ผลปรากฏว่าไม่มีการพบผลกระทบความต่างศักย์ที่ขอบเขตของเกรนรวมถึงอิเล็กตรอนในโลหะบนขอบเขตของเกรนอีกด้วย 2.ความแตกต่างของอุณหภูมิในแถบการนำบนเทอร์โมอิเล็กทริกซิตี้ตลอดจนปรากฎการ์ณซีเบค เป็นอีกหนึ่งปรากฏการ์ณของเทอร์โมอิเล็กทริก(Thermoelectric effect) ซึ่งการตรวจจับปรากฎการณ์ซีเบคนั้นจะใช้สัดส่วนของการพาความร้อนที่มาจากพัดลมระบายความร้อน กับ ควบคุมด้วยเลเซอร์เพื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากที่ร้อนกว่าไปสู่ด้านที่เย็นกว่าและเกิดการสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สามารถวัดได้ ซึ่งปรากฏว่า ไม่สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความศักย์ได้ เมื่อไหร่ที่เลเซอร์นั้นเคลื่อนที่ตัดผ่านขอบเขตของเกรน ในวัสดุบิสมัทคริสตัล Natelson ทางทีมวิจัยได้ขยายความต่อว่า ทำไมเลเซอร์ที่เมื่อเคลื่อนที่ตัดผ่านขอบเขตเกรนถึงไม่สามารถวัดความต่างศักย์ที่เปลี่ยนแปลงได้ เพราะว่า เมื่อไหร่ที่เลเซอร์เคลื่อนที่ตัดผ่านส่วนนึงของวัสดุจะเกิดการเปลี่ยนรูป และ ทำให้เกิดการปั่นป่วนในคริสตัลแลททิชตลอดจนเส้นใยทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความต่างศักย์ที่เห็นได้ชัด ซึ่งการปั่นป่วนนี้จะทำให้เกิดการหลอมเหลวหรือ annealing ของตัวอุปกรณ์ทำให้เวลาเลเซอร์ออปติก เลื่อนผ่านนั้นทำให้ไม่สามารถตรวจจับได้

 

รูปที่3 การใช้ออปติคัลเลเซอร์ตัดผ่านเพื่อศึกษาดูขอบเขตเกรนจะส่งผลกระทบต่อความต่างศักย์
ที่มา https://phys.org/news/2020-09-boundaries-barrier-thermoelectricity.html

 

          ก่อนที่เราจะจากกันไป บางคนพออ่านมาถึงตรงนี้แล้วนึกสงสัยขึ้น ปรากฎการณ์ซีเบค คืออะไร ทำไมถึงเรียกว่า เป็นส่วนนึงของปรากฎการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกด้วยส่วนนึงกันละมามะเรามาติดตามไปพร้อมกันเลย สืบเนื่องมาจากทฤษฎีที่ได้กล่าวไปในเบื่องต้น จะมีการเปลี่ยนแปลงพัลงงานไฟฟ้าและความร้อนในระบบของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก จะเกิดปรากฎการณ์ทางพลังงานความร้อนได้ 3 ปรากฎการณ์

           1. ปรากฎการณ์ซีเบค (Seebeck effect) จะเกิดปรากฎการณ์ลักษณะนี้ก็ต่อเมื่อให้ความร้อนที่รอยต่อของตัวนำพาหะพีและพาหะนำเอ็นนั้นจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรปิดในระบบเทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งคนคิดค้นและศึกษาปรากฎการณ์นี้ เป็นชายที่มีชื่อว่า โทมัส โจฮัน ซีเบค (Thomas Johann Seebeck)

 

รูปที่4 โทมัส โจฮัน ซีเบค (Thomas Johann Seebeck) ผู้คิดค้นปรากฎการณ์ซีเบค
ที่มา https://www.semanticscholar.org/paper/

 

          2. ปรากฎการณ์เพลทีเยอร์ (Peltier effect) เป็นปรากฎการณ์จะเกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลจะมีความร้อนเกิดขึ้นที่รอยต่อของตัวนำ และความร้อนจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่ทิศทางกับการไหลของกระแสไฟฟ้าอีกที ถ้าป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปตรงๆ จะทำให้ปลายขั้วร้อนจะมีอุณหภูมิร้อนขึ้น และปลายขั้วเย็นจะมีอุณหภูมิเย็นลง แต่ในทางกลับกัน ถ้าสลับทิศทางการไหลของกระแสจะทำให้อุณหภูมิฝั่งขั้วร้อนนั้นมีอุณหภูมิเย็นลง และฝั่งขั้วเย็นจะมีอุณหภูมิที่ร้อนขึ้นนั่นเอง โดยคนคิดค้นทฤษฎีนี้ คือ ยีน เพลทีเยอร์ ชาร์เลส อะธาเนส

 

 

รูปที่5 ปรากฎการณ์เพลทีเยอร์
ที่มา https://www.researchgate.net/figure/Peltier-effect-in-dissimilar-metaljunction_fig2_320742812


 
รูปที่6 ยีน เพลทีเยอร์ ชาร์เลส อะธาเนส (Jean-Charles-Athanase Peltier)
ที่มา https://www.britannica.com/biography/Jean-Charles-Athanase-Peltier

 

          3. คนสุดท้ายกับปรากฎการณ์ทอมสัน (Thomson effect) เป็นปรากฎการณ์ที่จะเกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำไฟฟ้าสองจุดที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน โดยที่ทิศทางของความร้อนขึ้นอยู่กับการไหลของกระแสไฟฟ้าจากจุดร้อนไปจุดเย็น หรือ จากจุดเย็นไปจุดร้อน ซึ่งผู้คิดค้นทฤษฎีนี้ขึ้นมา คือ ลอร์ด เคลวิน หรือ วิลเลี่ยม ทอมสัน(William Thomson)

รูปที่7 ปรากฎการณ์ทอมสัน
ที่มา https://www.intechopen.com
 


รูปที่8 ลอร์ด เคลวิน หรืออีกชื่อ วิลเลี่ยม ทอมสัน(William Thomson)
ที่มา https://www.researchgate.net/figure/Figura-31-William-Thomson-Lord-Kelvin

 

          สุดท้ายนี้ การศึกษาต่อยอดงานวิจัยเทอร์โมอิเล็กทริกยังสามารถนำไปศึกษาต่อยอดได้อย่างหลากหลายไม่ว่าจะเป็นในอุตสาหกรรมยานยนต์ นำความร้อนจากท่อไอเสียมาผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าแทน หม้อต้มน้ำที่นำความร้อน อีกทั้งในการหาวัสดุสารกึ่งตัวนำอื่นๆมาศึกษา เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้าอีกทั้งคุณสมบัติทางความร้อนต่างๆ เพื่อเป็นพลังงานทางเลือก อีกทางนึงที่มนุษย์เรานั้นสามารถนำไปใช้ได้อย่างสะดวกสบายมากยิ่งขึ้นต่อไปในอนาคต
 

บทความโดย

นวะวัฒน์ เจริญสุข

วิศวกรรมยานยนต์
สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

ที่มา