Спрос на более эффективные и компактные технологии охлаждения обусловлен ростом населения, урбанизацией и растущей зависимостью от передовой электроники и дата-центров. Существующие системы громоздкие, потребляют много энергии и используют химические хладагенты, опасные для окружающей среды. Термоэлектрическое охлаждение, основанное на перемещении тепла электронами через специальные полупроводники, предлагает тихие, компактные, надёжные и экологичные решения без движущихся частей и вредных веществ. Хотя объемные термоэлектрические материалы применяются в небольших устройствах, таких как мини-холодильники, их низкая эффективность, малая тепловая мощность и сложность интеграции в массовое производство ограничивали широкое использование.

Ученые разработали особые наноструктуры под названием CHESS (контролируемые иерархически структурированные сверхрешетки). Интегрировав их с термоэлектрическими материалами, они добились лучшей эффективности и мощности отвода тепла в холодильных системах.

В исследовании сравнивались холодильные элементы, сделанные из обычных термоэлектрических материалов, с элементами на основе тонких пленок CHESS. Их испытывали в стандартных условиях, измеряя, сколько электроэнергии нужно для разного уровня охлаждения в одинаковых коммерческих холодильных системах. Результаты проверяли с помощью подробного моделирования тепла.

Материалы CHESS показали вдвое большую производительность по сравнению с обычными термоэлектрическими материалами при комнатной температуре около 25 °C. Это позволило создать термоэлектрические модули, которые оказались на 75% эффективнее, а целая холодильная система — на 70% эффективнее, чем лучшие объемные термоэлектрические устройства.

Технология CHESS использует мало материала — около песчинки (0,003 куб. см) на один холодильный элемент. Благодаря этому термоэлектрические материалы можно производить массово, используя оборудование для изготовления полупроводниковых чипов. Это снизит стоимость и сделает технологию доступной для широкого применения. Материалы CHESS создаются по технологии, аналогичной той, что используется при производстве солнечных батарей и светодиодных ламп — MOCVD (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы).

CHESS подойдут не только для холодильников, но и для сбора энергии и электроники. Разработчики планируют повысить их производительность до уровня обычных систем охлаждения, создать более крупные холодильные установки, а также использовать ИИ для оптимизации охлаждения. Поскольку CHESS преобразовывает тепло в электричество, материал можно использовать для тактильных систем, протезов, человеко-машинных интерфейсов и сбора энергии в устройствах, включая космические аппараты.