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電子回路

【中級】熱も電気のように制御できる!?

2016/08/01

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2016年5月、フランスの国立科学研究センターの研究者たちは量子ドット(※)を3つ組み合わせるだけで熱流を増幅できるという理論を発表しました。
(原論文:Quantum Thermal Transistor

これで無駄な熱をリサイクルしてエネルギー枯渇問題や地球温暖化問題を解決できるかもしれません。

※ 量子ドットについては以前の記事を参照してください。

無駄な熱の問題

ライト、冷蔵庫、電子レンジ、テレビ...
我々の豊かで便利な生活は電気を利用したものに支えられています。

原子力発電所が停止している影響もあって、日本の電力のうち87.8%(2014年)もの割合を火力発電が占めています。

火力発電では燃料を燃やした熱を使ってタービンを回すことによって発電しているのですが、
最先端の発電装置でも発電効率は60%しかないのが現状です。

エネルギー資源の枯渇や地球温暖化の問題があるので、この効率をどこまで上げられるかは重要な課題でしょう。

しかし、熱というのは蓄えたり、使いたい分だけ放出したりといったことは難しいので、
まだまだ無駄な熱がたくさん排出されてしまっています。

powerplant

「保冷材」を使って熱を操る?

近年、研究者たちは無駄な熱をなくせるように、熱を制御する方法を研究してきました。

特に、保冷材などにも利用されている相変化材料を用いた研究が進んでいます。

みなさんも風邪をひいて熱が出たときに保冷剤を使ったことがあると思いますが、
長時間頭の下に置いておいても凍ったままだったはずです。

つまり、それだけ多くの熱を吸収する能力があるということです。

相変化材料というのは、このように大量の熱を吸収したり、放出したりできる物質のことを言います。

研究者たちはその中でも特に、VO2と呼ばれる物質に着目しました。

この物質は、たくさんの熱を吸収・放出できるだけではなく、
同時に電気を通すようになったり、光の反射の仕方が変わったりする性質があるのです。

この物質の性質を利用することによって、熱を一方通行で運んだり、あるいは熱の量を多くできることがわかっています。

phase

微小なデバイスで熱を制御!

今回、フランスの研究者たちはこのような熱の増幅器を微小なサイズで作る方法を提案しました。

量子ドットを3つ並べて、それぞれ異なる温度に設定した状態で数値シミュレーションを実行した結果、
ある温度領域では流れる熱流が100倍にも増幅されたというのです。

このようなデバイスが実現すれば、今まででは小さすぎて利用することができなかった電子回路で発生する熱も、発電に利用できるほどに大きくすることができます。

また、熱流そのものを電流のように扱ってデバイスを動かすこともできるようになるかもしれません。

このように、無駄な熱をリサイクルして有効活用できるようにするナノデバイスが実現して、今後も人類が地球と共存した豊かな暮らしを続けていけると良いですね。

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