(PhysOrg.com) -- Computers, gloeilampen, en zelfs mensen genereren warmte - energie die uiteindelijk wordt verspild. Met een thermo-elektrisch apparaat, die warmte omzet in elektriciteit en omgekeerd, je kunt die anders verspilde energie benutten. Thermo-elektrische apparaten worden aangeprezen voor gebruik in nieuwe en efficiënte koelkasten, en andere koel- of verwarmingsmachines. Maar hedendaagse ontwerpen zijn niet efficiënt genoeg voor wijdverbreid commercieel gebruik of zijn gemaakt van zeldzame materialen die duur en schadelijk zijn voor het milieu.

Onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) hebben een nieuw type materiaal ontwikkeld:gemaakt van silicium, het op een na meest voorkomende element in de aardkorst - dat zou kunnen leiden tot efficiëntere thermo-elektrische apparaten. Het materiaal - een soort nanomesh - bestaat uit een dunne film met een rasterachtige opstelling van kleine gaatjes. Dit unieke ontwerp maakt het moeilijk voor warmte om door het materiaal te reizen, het verlagen van de thermische geleidbaarheid tot bijna de theoretische limiet van silicium. Tegelijkertijd, het ontwerp zorgt ervoor dat elektriciteit net zo goed kan stromen als in ongewijzigd silicium.

"In termen van het beheersen van thermische geleidbaarheid, dit zijn behoorlijk geavanceerde apparaten, " zegt James Heath, de Elizabeth W. Gillon Professor en professor in de chemie aan Caltech, die het werk leidde. Een paper over het onderzoek zal worden gepubliceerd in het oktobernummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Een belangrijke strategie om thermo-elektrische materialen energiezuinig te maken, is om de thermische geleidbaarheid te verlagen zonder de elektrische geleidbaarheid te beïnvloeden, dat is hoe goed elektriciteit door de stof kan reizen. Heath en zijn collega's hadden dit eerder bereikt met silicium nanodraden - draden van silicium die 10 tot 100 keer smaller zijn dan de draden die momenteel in computermicrochips worden gebruikt. De nanodraden werken door warmte te belemmeren terwijl elektronen vrij kunnen stromen.

In welk materiaal dan ook, warmte reist via fononen - gekwantiseerde pakketten van trillingen die verwant zijn aan fotonen, die zelf gekwantiseerde pakketjes van lichtgolven zijn. Terwijl fononen langs het materiaal ritselen, ze leveren warmte van het ene punt naar het andere. nanodraden, vanwege hun kleine afmetingen, hebben veel oppervlakte in verhouding tot hun volume. En aangezien fononen van oppervlakken en interfaces verstrooien, het is voor hen moeilijker om door een nanodraad te komen zonder op een dwaalspoor te stuiteren. Als resultaat, een nanodraad weerstaat de warmtestroom maar blijft elektrisch geleidend.

Maar het maken van steeds smallere nanodraden is slechts tot op zekere hoogte effectief. Als de nanodraad te klein is, het zal zo veel relatief oppervlak hebben dat zelfs elektronen zullen verstrooien, waardoor de elektrische geleidbaarheid keldert en de thermo-elektrische voordelen van fononverstrooiing teniet worden gedaan.

Om dit probleem te omzeilen, het Caltech-team bouwde een nanomesh-materiaal van een 22 nanometer dikke laag silicium. (Eén nanometer is een miljardste van een meter.) Het siliciumblad wordt omgezet in een gaas - vergelijkbaar met een klein raamscherm - met een zeer regelmatige reeks van 11 of 16 nanometer brede gaten die slechts 34 nanometer uit elkaar liggen.

In plaats van de fononen die er doorheen reizen te verstrooien, de nanomesh verandert de manier waarop die fononen zich gedragen, ze in wezen vertragen. De eigenschappen van een bepaald materiaal bepalen hoe snel fononen kunnen gaan, en het blijkt dat - in ieder geval in silicium - de maasstructuur deze snelheidslimiet verlaagt. Wat de fononen betreft, de nanomesh is helemaal geen silicium meer. "Het nanomesh gedraagt ​​zich niet langer op een manier die typisch is voor silicium, " zegt Slobodan Mitrovic, een postdoctoraal onderzoeker in de chemie aan Caltech. Mitrovic en Caltech-afgestudeerde student Jen-Kan Yu zijn de eerste auteurs op de Natuur Nanotechnologie papier.

Toen de onderzoekers de nanomesh vergeleken met de nanodraden, ze ontdekten dat - ondanks een veel hogere oppervlakte-tot-volumeverhouding - de nanodraden nog steeds twee keer zo thermisch geleidend waren als de nanomesh. De onderzoekers suggereren dat de afname van de thermische geleidbaarheid die wordt gezien in de nanomesh inderdaad wordt veroorzaakt door de vertraging van fononen, en niet door fononen die van het oppervlak van het gaas verstrooien. Het team vergeleek de nanomesh ook met een dunne film en met een rasterachtige laag silicium met kenmerken die ongeveer 100 keer groter zijn dan de nanomesh; zowel de film als het rooster hadden een thermische geleidbaarheid die ongeveer 10 keer hoger was dan die van het nanomesh.

Hoewel de elektrische geleidbaarheid van het nanomesh vergelijkbaar bleef met normaal, bulk silicium, de thermische geleidbaarheid werd teruggebracht tot bijna de theoretische ondergrens voor silicium. En de onderzoekers zeggen dat ze het nog verder kunnen verlagen. "Nu we hebben laten zien dat we de fononen kunnen vertragen, "Heath zegt, 'Wie zegt dat we ze niet veel meer kunnen vertragen?'

De onderzoekers experimenteren nu met verschillende materialen en opstelling van gaten om hun ontwerp te optimaliseren. "Op een dag, kunnen we misschien een materiaal maken waarbij je niet alleen de fononen kunt vertragen, maar je kunt de fononen die warmte dragen helemaal uitsluiten, ' zegt Mitrovic. 'Dat zou het uiteindelijke doel zijn.'