Sejenis bahan baru telah diciptakan yang dapat menghasilkan arus listrik dengan lebih efisien dari perbedaan suhu yang terjadi. Temuan ini memungkinkan sebuah sensor dan prosesor berukuran kecil untuk memasok energinya sendiri secara nirkabel.
Para peneliti dari Vienna University of Technology menerbitkan hasil temuannya di jurnal Nature.
Bahan termoelektrik dapat mengubah panas menjadi energi listrik. Hal ini disebabkan oleh apa yang disebut dengan efek Seebeck: Jika ada perbedaan suhu di antara kedua ujung sebuah bahan, maka tegangan listrik dapat dihasilkan sehingga arus listriknya dapat mulai mengalir. Jumlah energi listrik yang dapat dihasilkan pada perbedaan suhu tertentu diukur dengan nilai ZT, semakin tinggi nilai ZT suatu bahan, semakin baik pula sifat termoelektriknya.
Termoelektrik terbaik hingga saat ini adalah sekitar 2,5 hingga 2,8 ZT. Para ilmuwan di TU Wien (Wina) kini telah berhasil mengembangkan bahan yang sama sekali baru dengan nilai 5 hingga 6 ZT, berupa lapisan tipis berbahan besi, vanadium, tungsten, dan aluminium yang diterapkan pada kristal silikon.
Bahan baru ini sangat efektif sehingga dapat digunakan untuk menyediakan energi untuk sebuah sensor atau bahkan prosesor komputer berukuran kecil. Alih-alih menghubungkan peralatan elektronik berukuran kecil dengan kabel, bahan ini dapat menghasilkan listrik secara mandiri dari perbedaan suhu yang terjadi.
“Bahan termoelektrik yang baik harus menunjukkan efek Seebeck yang kuat, dan harus memenuhi dua persyaratan penting yang sulit untuk direkonsiliasi,” kata Prof. Ernst Bauer dari TU Wien. “Di satu sisi, bahan tersebut harus menghantarkan listrik sebaik mungkin; di sisi lain, ia harus mengangkut panas seburuk mungkin. Ini adalah tantangan karena konduktivitas listrik dan konduktivitas termal biasanya berkaitan erat.”
Di Christian Doppler Laboratory for Thermoelectricity, yang didirikan Ernst Bauer di TU Wien pada 2013, berbagai bahan termoelektrik untuk aplikasi yang berbeda telah dipelajari selama beberapa tahun terakhir. Penelitian ini sekarang telah mengarah pada penemuan bahan yang sangat luar biasa – kombinasi besi, vanadium, tungsten dan aluminium.
“Atom-atom dalam bahan ini biasanya tersusun dalam pola yang sangat teratur dalam apa yang disebut dengan face-centered cubic lattice,” kata Ernst Bauer. “Jarak antara dua atom besi selalu sama, dan hal yang sama berlaku untuk jenis atom lainnya. Karena itu seluruh kristal sepenuhnya teratur.”
Namun, ketika lapisan tipis dari bahan diaplikasikan pada silikon, sesuatu yang menakjubkan terjadi: strukturnya berubah secara radikal. Meskipun atom-atom masih membentuk pola kubik, kini tersusun dalam struktur berpusat-ruang, dan distribusi berbagai jenis atom menjadi sepenuhnya acak.
“Dua atom besi dapat duduk bersebelahan, tempat di sebelahnya dapat ditempati oleh vanadium atau aluminium, dan tidak ada lagi aturan yang menentukan di mana atom besi berikutnya dapat ditemukan dalam kristal,” jelas Bauer.
Campuran keteraturan dan ketidakteraturan susunan atom ini juga mengubah struktur elektroniknya, yang menentukan bagaimana elektron bergerak di dalam padatan. “Muatan listrik bergerak melalui material dengan cara khusus, sehingga terlindung dari proses penghamburan. Porsi muatan yang bergerak melalui material disebut sebagai Weyl Fermions,” kata Ernst Bauer. Dengan cara ini, hambatan listrik yang sangat rendah telah tercapai.
Getaran kisi, di sisi lain, yang mengangkut panas dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, dihambat oleh penyimpangan dalam struktur kristal. Oleh karena itu, konduktivitas termalnya menjadi berkurang. Ini penting jika energi listrik dihasilkan secara permanen dari perbedaan suhu — karena jika perbedaan suhu dapat menyeimbangkan dengan sangat cepat dan seluruh bahan akan segera memiliki suhu yang sama di mana-mana, maka efek termoelektriknya akan terhenti.
“Tentu saja, lapisan tipis seperti itu tidak dapat menghasilkan energi yang sangat besar, tetapi memiliki keuntungan menjadi sangat ringkas dan mudah diadaptasikan,” kata Ernst Bauer. “Kami ingin menggunakannya untuk menyediakan energi untuk sensor dan berbagai aplikasi elektronik kecil.” Permintaan untuk generator skala kecil seperti ini tumbuh dengan cepat: Di “Internet of Things,” semakin banyak perangkat yang terhubung secara online, secara otomatis mengoordinasikan perilakunya satu sama lain. Ini sangat menjanjikan untuk pabrik produksi di masa depan, di mana satu mesin harus bereaksi secara dinamis terhadap yang lainnya.
“Jika Anda membutuhkan sejumlah besar sensor di sebuah pabrik, Anda tidak dapat menyatukan semuanya secara keseluruhan. Jauh lebih cerdas bagi sensor untuk dapat menghasilkan energi sendiri menggunakan perangkat termoelektrik berukuran kecil,” kata Bauer.
