Hoewel klimaatgecontroleerde autostoelen niet bij je opkomen als je denkt aan energiezuinigheid, de nieuwste technologie die aan deze luxe auto-functie ten grondslag ligt, is gebaseerd op thermo-elektrische materialen - materialen die elektriciteit direct omzetten in verwarming of koeling. Omgekeerd, thermo-elektriciteit kan ook overtollige warmte van energie-inefficiënte systemen afvoeren, zoals automotoren of elektriciteitscentrales, door deze 'restwarmte' terug te winnen en om te zetten in elektriciteit. Als resultaat, deze materialen bieden een potentieel schone energiebron om het brandstofverbruik en de CO2-uitstoot te verminderen.

Momenteel, deze thermische energie wordt met een hoog rendement omgezet, dure thermo-elektrische materialen. In uitlaatsystemen voor auto's, bijvoorbeeld, solid-state thermo-elektrische apparaten recupereren restwarmte die kan resulteren in brandstofbesparingen tot vijf procent, maar door hun hoge kosten kunnen ze niet worden gebruikt in kleinere omgevingen. Het vergroten van deze besparingen door goedkopere materialen kan een aanzienlijke impact hebben op de stroomopwekking voor batterijen of elektronische componenten in computers.

Nutsvoorzieningen, Wetenschappers van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pakken deze uitdaging aan door "het budget voor thermisch energiebeheer te veranderen, " zei Jeff Urban, Adjunct-directeur van de Inorganic Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry, een nanowetenschappelijke gebruikersfaciliteit.

“Historisch, hoogrenderende thermo-elektriciteit vereist hoge kosten, materiaalintensieve verwerking, ’, aldus Urbanus. "Door een hybride van zachte en harde materialen te ontwerpen met behulp van eenvoudige kolfchemie in water, we hebben een route ontwikkeld die respectabele efficiëntie biedt met lage productiekosten.”

In hun aanpak Urban en collega's construeerden een composietmateriaal op nanoschaal door een polymeer te wikkelen dat elektriciteit geleidt rond een nanostaafje van tellurium - een metaal gekoppeld aan cadmium in de meest kosteneffectieve zonnecellen van vandaag. Dit composietmateriaal kan eenvoudig worden gegoten of geprint tot een film vanuit een oplossing op waterbasis. Samen met het gemak van fabricage, dit hybride materiaal heeft ook een thermo-elektrische verdienste die duizenden keren groter is dan het polymeer of de nanostaaf alleen - een cruciale factor bij het verbeteren van de prestaties van het apparaat.

“De afgelopen jaren we hebben enorme winsten gezien in thermo-elektrische efficiëntie, maar er is behoefte aan goedkope, materialen met matige efficiëntie die gemakkelijk te verwerken en te modelleren zijn over grote oppervlakken, ’ zei Rachel Segalman, een faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en hoogleraar Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "We hadden veel intuïtie over wat zou werken met behulp van polymeren en nanokristallen, en zal nu de materiaalruimte verkennen om deze systemen te optimaliseren en over te schakelen naar meer aarde-overvloedige materialen.