De mantra 'verminderen, hergebruik, recyclen' wordt steeds relevanter. Elk jaar, enorme hoeveelheden energie die kunnen worden opgevangen en hergebruikt, gaan verloren door restwarmte. Nutsvoorzieningen, A*STAR-wetenschappers hebben aangetoond, door theoretische berekeningen, dat het mogelijk kan zijn om thermo-elektrische organische polymeren te fabriceren die warmte met een hoog rendement in elektrische energie kunnen omzetten.

Thermo-elektrische (TE) materialen werken door te reageren op temperatuurverschillen, waardoor elektrische ladingsdragers van de hete naar de koude kant van het materiaal stromen. TE-materialen worden al gebruikt voor het aandrijven van koeling, en voor beperkte stroomopwekking. Een effectief TE-materiaal moet een hoge elektrische geleidbaarheid hebben, lage thermische geleidbaarheid, en een hoge 'Seebeck-coëfficiënt' – de spanning die wordt gegenereerd per graad temperatuurverschil over het materiaal. Echter, het komt zelden voor dat één materiaal aan al deze voorwaarden voldoet, wat betekent dat bestaande TE-materialen qua efficiëntie beperkt zijn.

"Een manier om TE-prestaties te verbeteren, is door doping te gebruiken, het toevoegen van bepaalde chemicaliën aan het materiaal om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren door de concentraties van ladingsdragers te verhogen, " zegt Shuo-Wang Yang, bij A*STAR's Institute of High Performance Computing, die het team leidde. "Echter, doping kan ook interfereren met de stabiliteit en prestaties van de materialen, en het vinden van een doteringsmiddel dat effectief werkt, is een uitdaging. Het identificeren van TE-materialen die werken zonder doping kan het oogsten van energie transformeren."

Het team richtte hun aandacht op lineaire-ruggengraatcoördinatiepolymeren, structuren die metaalionen bevatten verbonden door liganden, die in het laboratorium naar specifieke ontwerpen kunnen worden gebouwd. Deze polymeren vertonen talrijke voordelen ten opzichte van conventionele anorganische TE-materialen; ze zijn flexibel, hebben een lage thermische geleidbaarheid en zijn compatibel met biologische organismen. Echter, ze hebben een lage elektrische geleidbaarheid - een uitdaging die Yang en collega's probeerden te overwinnen in hun theoretische zoektocht.

"Gebaseerd op het eerste principe moleculaire dynamica en structuuroptimalisatie, we identificeerden een polymeer genaamd poly (nikkel-ethyleentetrathiolaat) en drie bijbehorende analogen die intrinsiek metallisch gedrag en een hoge elektrische geleidbaarheid vertonen, " zegt Yang. "Dit is opwindend omdat het suggereert dat deze polymeren potentieel doteringsvrije TE-materialen zijn."

De analyses van het team suggereren dat dit metaalgedrag voortkomt uit de vorming van dichte, niet-bindende moleculaire interacties tussen zwavel- of seleniumatomen in de polymere structuren. Deze interacties versterken de krachten tussen de atomen, het verminderen van elektronische bandkloven en het stimuleren van de stroom van elektrische lading.

"Xu Jianwei, Kedar Hippalgaonkar, en hun teams van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering synthetiseren deze polymeren nu, " zegt Yang. "Deze materialen zijn veelbelovend, met name in de toepassingen van warmteterugwinning en koeling bij omgevingstemperatuur."