Volgens een officiële schatting Amerikaanse productie, vervoer, residentiële en commerciële consumenten gebruiken slechts ongeveer 40 procent van de energie die ze verbruiken, 60 procent verspillen. Heel vaak, deze verspilde energie ontsnapt als warmte, of thermische energie, van inefficiënte technologie die er niet in slaagt om die potentiële kracht te oogsten.

Nu een team van de Universiteit van Massachusetts Amherst onder leiding van scheikundige Dhandapani Venkataraman, "DV, " en elektrotechnisch ingenieur Zlatan Aksamija, rapporteer deze maand in Natuurcommunicatie op een voorschot schetsen ze in de richting van efficiëntere, goedkoper, op polymeer gebaseerde oogst van warmte-energie.

"Het zal een verrassing zijn voor het veld, "DV voorspelt, "het geeft ons een andere belangrijke variabele die we kunnen veranderen om de thermo-elektrische efficiëntie van polymeren te verbeteren. Dit zou ons, en anderen, kijk naar polymeer thermo-elektriciteit in een nieuw licht."

Aksamija legt uit, "Het gebruik van polymeren om thermische energie om te zetten in elektriciteit door het oogsten van restwarmte heeft de laatste jaren een stijgende belangstelling gezien. Afvalwarmte vormt zowel een probleem als een hulpbron; hoe meer warmte je proces verspilt, hoe minder efficiënt het is." Restwarmte oogsten is minder moeilijk als er een lokale, gradiëntbron met hoge temperatuur om mee te werken, hij voegt toe, zoals een hoogwaardige warmtebron zoals een elektriciteitscentrale.

Thermo-elektrische polymeren zijn minder efficiënt bij het oogsten van warmte in vergelijking met stijve, duur om anorganische methoden te produceren die toch behoorlijk efficiënt zijn, Aksamija voegt toe, maar polymeren zijn het nastreven waard omdat ze goedkoper te produceren zijn en kunnen worden gecoat op flexibele materialen - om rond de uitlaatpijp van een energiecentrale te wikkelen, bijvoorbeeld.

Onlangs, wetenschappers hebben dit obstakel aangepakt met een proces dat 'doping' wordt genoemd. ermee, onderzoekers mengen chemische of andere componenten in polymeren om hun vermogen om elektrische ladingen te verplaatsen te verbeteren en de efficiëntie te verhogen. DV zegt, "Stel je voor dat we chocoladeschilfers hebben toegevoegd, een materiaal dat de geleidbaarheid verbetert, tot een koekje. Dat is doping."

Maar doping houdt een afweging in, voegt Aksamija toe. Het kan ofwel meer stroom en minder thermisch geïnduceerde spanning bereiken, of meer spanning en minder stroom, maar niet allebei. "Als je één eigenschap verbetert, je maakt de ander erger, " hij legt uit, "en het kan veel moeite kosten om de beste balans te bepalen, " of optimale doping.

Dit behandelen, DV en zijn scheikunde Ph.D. student Connor Boyle, met Aksamija en zijn elektrotechniek Ph.D. student Meenakshi Upadhyaya werkte in wat DV noemt "een echte samenwerking, " waarbij elk inzicht uit numerieke simulaties de volgende reeks experimenten informeerde, en vice versa.

De chemici voerden experimenten uit, terwijl het technische team efficiëntieanalyses uitvoerde langs de curve van "nul doping" tot "maximale doping" om de beste balans voor veel verschillende materialen te identificeren. Voor het enorme aantal simulaties dat ze hebben uitgevoerd om honderden scenario's te testen, ze gebruikten het Massachusetts Green High Performance Computing Center in het nabijgelegen Holyoke.

zegt Aksamija. "We kunnen je nu vertellen, voor elk gegeven materiaal, wat is de optimale balans tussen de twee eigenschappen, en voor een tijdje, mensen waren tevreden met dat alleen al te weten." Maar onderweg, hij voegt toe, ze ontdekten een geheel nieuwe variabele die nog niet was verwerkt, een die van cruciaal belang bleek te zijn voor het vermogen van het gedoteerde polymeer om thermische energie efficiënt te oogsten.

Hij zegt, "De oorspronkelijke analyse kwam niet op de kwestie van de positie van de dopingcomponenten, of de materialen klonteren of niet en hoeveel ze klonteren, of cluster, zoals wij het noemen. Het blijkt dat clustering een kritische variabele is." Het team wendde zich tot scheikundige Michael Barnes, een co-auteur van hun recente paper, die Kelvin Probe Force Microscopy gebruikte om de doteermiddelen op nanoniveau te onderzoeken en aan te tonen dat clustering inderdaad aanwezig is in polymeren die bij kamertemperatuur zijn gedoteerd, maar niet bij hogere temperaturen.

Met die bevestiging de onderzoekers wendden zich tot het modelleren van een uitgebreide trade-off curve, zegt Upadhyaya. Uit hun theoretische modellering zij en Aksamija ontdekten dat clustering de vorm van die curve verandert. Om de efficiëntie te verbeteren die verder gaat dan de wisselwerking tussen stroom en spanning, men moet de hele trade-off curve verplaatsen, ze zegt.

Deze onverwachte bevinding zou een nieuwe weg moeten bieden voor het ontwerpen van efficiëntere polymeren voor thermo-elektrische apparaten, zeggen de onderzoekers. DV merkt op dat tot nu toe, scheikundigen en materiaalwetenschappers hebben geprobeerd polymeren zo te organiseren dat ze meer op de anorganische stoffen lijken, "mooi uitgelijnd en zeer regelmatig, wat moeilijk is om te doen, " voegt hij eraan toe. "Het blijkt dat dit misschien niet de juiste weg is; je kunt een andere weg of een andere benadering nemen. We hopen dat dit artikel een basis biedt om op polymeren gebaseerde thermo-elektriciteit vooruit te helpen."