Dezelfde onderzoekers die pionierden met het gebruik van een kwantummechanisch effect om warmte in elektriciteit om te zetten, hebben ontdekt hoe ze hun techniek kunnen laten werken in een vorm die meer geschikt is voor de industrie.

In Natuurcommunicatie , ingenieurs van de Ohio State University beschrijven hoe ze magnetisme op een composiet van nikkel en platina gebruikten om de uitgangsspanning 10 keer of meer te versterken - niet in een dunne film, zoals ze eerder hadden gedaan, maar in een dikker stuk materiaal dat meer lijkt op componenten voor toekomstige elektronische apparaten.

Veel elektrische en mechanische apparaten, zoals automotoren, warmte produceren als bijproduct van hun normale werking. Het heet "afvalwarmte, " en het bestaan ​​ervan wordt vereist door de fundamentele wetten van de thermodynamica, verklaarde studie co-auteur Stephen Boona.

Maar een groeiend onderzoeksgebied, solid-state thermo-elektriciteit genaamd, heeft tot doel die afvalwarmte op te vangen in speciaal ontworpen materialen om stroom op te wekken en de algehele energie-efficiëntie te verhogen.

"Meer dan de helft van de energie die we gebruiken wordt verspild en komt in de atmosfeer als warmte, " zei Boona, een postdoctoraal onderzoeker aan de Ohio State. "Solid-state thermo-elektriciteit kan ons helpen een deel van die energie terug te winnen. Deze apparaten hebben geen bewegende delen, verslijt niet, zijn robuust en vereisen geen onderhoud. Helaas, daten, ze zijn ook te duur en niet helemaal efficiënt genoeg om wijdverbreid gebruik te rechtvaardigen. We werken eraan om dat te veranderen."

In 2012, dezelfde onderzoeksgroep in de staat Ohio, onder leiding van Joseph Heremans, aangetoond dat magnetische velden een kwantummechanisch effect kunnen versterken, het spin Seebeck-effect, en op zijn beurt verhoogt het de uitgangsspanning van dunne films gemaakt van exotische nanogestructureerde materialen van een paar microvolt tot een paar millivolt.

In dit laatste voorschot, ze hebben de output verhoogd voor een composiet van twee zeer gewone metalen, nikkel met een laagje platina, van enkele nanovolts tot tientallen of honderden nanovolts - een kleinere spanning, maar in een veel eenvoudiger apparaat dat geen nanofabricage vereist en gemakkelijk kan worden opgeschaald voor de industrie.

Heremans, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek en de Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology, zei dat, tot op zekere hoogte, het gebruik van dezelfde techniek in dikkere stukken materiaal vereiste dat hij en zijn team de vergelijkingen die de thermodynamica en thermo-elektriciteit beheersen, heroverwegen, die werden ontwikkeld voordat wetenschappers wisten van de kwantummechanica. En terwijl kwantummechanica vaak fotonen betreft - golven en lichtdeeltjes - gaat Heremans' onderzoek over magnonen - golven en deeltjes van magnetisme.

"In principe, klassieke thermodynamica omvat stoommachines die stoom gebruiken als werkvloeistof, of straalmotoren of automotoren die lucht als werkvloeistof gebruiken. Thermo-elektriciteit gebruikt elektronen als werkvloeistof. En in dit werk we gebruiken kwanta van magnetisatie, of 'magnonen, ' als een werkvloeistof, ', aldus Heremans.

Onderzoek naar op magnon gebaseerde thermodynamica werd tot nu toe altijd gedaan in dunne films - misschien slechts een paar atomen dik - en zelfs de best presterende films produceren zeer kleine spanningen.

In de krant van 2012 zijn team beschreef het raken van elektronen met magnons om ze door thermo-elektrische materialen te duwen. In de huidige Nature Communications-paper, ze hebben aangetoond dat dezelfde techniek kan worden gebruikt in bulkstukken van composietmaterialen om de terugwinning van restwarmte verder te verbeteren.

In plaats van een dunne laag platina op een magnetisch materiaal aan te brengen, zoals ze eerder hadden kunnen doen, de onderzoekers verdeelden een zeer kleine hoeveelheid platina-nanodeeltjes willekeurig door een magnetisch materiaal - in dit geval nikkel. De resulterende composiet produceerde een verbeterde uitgangsspanning vanwege het spin-Seebeck-effect. Dit betekent dat voor een bepaalde hoeveelheid warmte, het composietmateriaal genereerde meer elektrisch vermogen dan elk materiaal op zichzelf zou kunnen. Omdat het hele stuk composiet elektrisch geleidend is, andere elektrische componenten kunnen er de spanning uit halen met een verhoogde efficiëntie in vergelijking met een film.

Hoewel de composiet nog geen deel uitmaakt van een echt apparaat, Heremans is ervan overtuigd dat het proof-of-principle dat door deze studie is vastgesteld, zal inspireren tot verder onderzoek dat kan leiden tot toepassingen voor algemene afvalwarmtegeneratoren, inclusief auto- en straalmotoren. Het idee is heel algemeen, hij voegde toe, en kan worden toegepast op een verscheidenheid aan materiaalcombinaties, waardoor geheel nieuwe benaderingen mogelijk zijn die geen dure metalen zoals platina of delicate verwerkingsprocedures zoals dunnefilmgroei vereisen.