На страницах Physical Review B исследователи описали разработанную ими систему, которая позволяет конвертировать тепловую энергию в электрическую — правда, для этого нагрев должен быть неравномерным. Вокруг нагретой области расположены так называемые квантовые точки, между которыми могут перемещаться электроны; они размещены так, что тепловые колебания перебрасывают носители заряда только в определенном направлении.
Квантовые точки, в свою очередь, представляют крошечные (меньше 10 нм — 50 атомов — в поперечнике) кусочки полупроводникового материала. Из-за очень малых размеров они уже ведут себя не как цельный блок материала, а как аналоги отдельных атомов; у них появляются собственные энергетические уровни и электроны в таких точках могут находится только в состояниях с определенной энергией. И, соответственно, переходить из одного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой.
Наличие отдельных энергетических уровней означает еще и то, что при переходе с верхних уровней на нижние квантовые точки могут красиво флуоресцировать. Причем величина зазора зависит только от размера квантовых точек, так что можно получить любой нужный цвет свечения; квантовые точки уже сейчас активно используютв качестве специальных красителей. Снимок: Wikimedia/Travis.jennings
Нагретая квантовая точка — это точка, которая получила некоторую порцию энергии, ведь температура по определению и есть средняя энергия микроскопических частиц. Законы термодинамики также заставляют эту энергию рассеиваться (поэтому все нагретые предметы остывают), но тут-то на первый план и выходят квантовые свойства наноточек. Так как у них есть только ограниченное число энергетических уровней, они не могут пропустить все электроны, а лишь те частицы, энергия которых соответствует разнице между одни уровнем и другим.
Такие электроны в нагретой области есть и они благополучно преодолевают барьер. После чего отдают энергию в холодном участке, но вот вернуться назад уже не получается из-за недостатка энергии. В результате с одного конца цепочки квантовых точек накапливается электрический заряд. Где заряд — там и электрическое поле со своей напряженностью и потенциалом; где разность потенциалов, там и напряжение. Батарея готова!
Солнечные батареи, напомним, используют схожий принцип: кванты света сначала перебрасывают электроны через некоторый энергетический барьер, а потом электроны накапливаются в одной области, создавая электрическое поле и разность потенциалов. Новое исследование позволило перенести этот подход на наносистемы и тепловую энергию, так что никакого переворота основ и вечного двигателя тут не предвидится. Предвидятся лишь устройства, которые будут утилизовывать тепловую энергию, превращая ее в электричество напрямую, минуя сложные механические устройства вроде двигателя Стирлинга.
Нет, это не ваш случай
Отметим, что к всевозможным изобретениям с КПД свыше 100% эта работа не имеет ни малейшего отношения. Она никоим образом не подтверждает правоту всех доморощенных опровергателей основ хотя бы потому, что теоретический КПД нанопреобразователя точно описывается школьной формулой — температура нагревателя в градусах Кельвина, поделенная на разность температур между нагревателем и холодильником. В наномире возможны случайные и локальные нарушения законов термодинамики (скажем, молекулы газа соберутся в одной половине сосуда… все пять молекул разом) — но это тоже нельзя использоваться для постройки вечного двигателя.