Technische onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een nieuwe methode ontwikkeld om geavanceerde nanomaterialen te maken die zouden kunnen leiden tot zeer efficiënte koelkasten en koelsystemen die geen koelmiddelen en geen bewegende delen nodig hebben. De belangrijkste ingrediënten voor deze innovatie zijn een vleugje zwavel op nanoschaal en een normale, alledaagse magnetron.

De kern van deze solid-state koelsystemen zijn thermo-elektrische materialen, die elektriciteit kan omzetten in een reeks verschillende temperaturen - van warm tot koud. Thermo-elektrische koelkasten die deze principes toepassen, zijn al meer dan 20 jaar beschikbaar, maar ze zijn nog steeds klein en zeer inefficiënt. Dit komt grotendeels omdat de materialen die worden gebruikt in de huidige thermo-elektrische koelapparaten duur en moeilijk in grote hoeveelheden te maken zijn, en hebben niet de noodzakelijke combinatie van thermische en elektrische eigenschappen. Een nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , overwint deze uitdagingen en opent de deur naar een nieuwe generatie hoogwaardige, kosteneffectieve solid state koeling en airconditioning.

Rensselaer Professor Ganpati Ramanath leidde de studie, in samenwerking met collega's Theodorian Borca-Tasciuc en Richard W. Siegel.

De drijvende kracht achter deze onderzoeksdoorbraak is het idee van het opzettelijk besmetten, of doping, nanogestructureerde thermo-elektrische materialen met nauwelijks zwavel. De gedoteerde materialen worden verkregen door het materiaal en de doteerstof enkele minuten samen te koken in een in de winkel gekochte magnetronoven van $ 40. Het resulterende poeder wordt gevormd tot korrels ter grootte van een erwt door warmte en druk toe te passen op een manier die de eigenschappen behoudt die worden verschaft door de nanostructurering en de dotering. Deze pellets vertonen betere eigenschappen dan de moeilijk te maken thermo-elektrische materialen die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn. Aanvullend, deze nieuwe methode voor het maken van de gedoteerde korrels is veel sneller, gemakkelijker, en goedkoper dan conventionele methoden voor het maken van thermo-elektrische materialen.

"Dit is geen eenmalige ontdekking. we hebben een nieuwe manier ontwikkeld en gedemonstreerd om een ​​geheel nieuwe klasse van gedoteerde thermo-elektrische materialen te creëren met superieure eigenschappen, " zei Ramanath, een faculteitslid bij de afdeling Materials Science and Engineering van Rensselaer. "Onze bevindingen hebben echt het potentieel om het technologische landschap van koeling te transformeren en een echte impact op ons leven te hebben."

Proberen thermo-elektrische materialen te construeren lijkt een beetje op het spelen van een spelletje "touwtrekken, " zei Ramanath. Onderzoekers proberen drie afzonderlijke eigenschappen van het materiaal te beheersen:elektrische geleidbaarheid, warmtegeleiding, en Seebeck-coëfficiënt. Het manipuleren van een van deze eigenschappen, echter, heeft noodzakelijkerwijs invloed op de andere twee. Deze nieuwe studie demonstreert een nieuwe manier om de onderlinge afhankelijkheid van deze drie eigenschappen te minimaliseren door doping en nanostructurering te combineren in bekende thermo-elektrische materialen zoals telluriden en seleniden op basis van bismut en antimoon.

Het doel van het tweaken van deze drie eigenschappen is om een ​​thermo-elektrisch materiaal te creëren met een hoge verdienste, of ZT, wat een maat is voor hoe efficiënt het materiaal is in het omzetten van warmte in elektriciteit. De nieuwe korrels van nanomaterialen ter grootte van een erwt, ontwikkeld door het Rensselaer-team, vertoonden een ZT van 1 tot 1,1 bij kamertemperatuur. Aangezien dergelijke hoge waarden worden verkregen, zelfs zonder het proces te optimaliseren, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat een hogere ZT kan worden verkregen met wat slimme engineering.

"Het is echt verbazingwekkend hoe nanostructuren die zijn gekruid met slechts een paar zwavelatomen, kunnen leiden tot zulke superieure thermo-elektrische eigenschappen van het bulkmateriaal gemaakt van de nanostructuren, en stelt ons in staat om de vruchten te plukken van nanostructurering op macroschaal, ' zei Ramanath.

Een belangrijk facet van de ontdekking is het vermogen om zowel p-type (positieve lading) als n-type (negatieve lading) thermo-elektrische nanomaterialen te maken met een hoge ZT. Tot nu toe, onderzoekers over de hele wereld hebben alleen grote hoeveelheden p-type materialen kunnen maken met een hoge ZT.

Aanvullend, de nieuwe studie toont aan dat het onderzoeksteam van Rensselaer in twee tot drie minuten batches van 10 tot 15 gram (genoeg om meerdere erwtkorrels te maken) van het gedoteerde nanomateriaal kan maken met een magnetron. Grotere hoeveelheden kunnen worden geproduceerd met microgolfovens van industrieel formaat.

"Ons vermogen om schaalbaar en goedkoop zowel p- als n-type materialen met een hoge ZT te produceren, maakt de weg vrij voor de fabricage van hoogrenderende koelapparatuur, evenals solid-state thermo-elektrische apparaten voor het oogsten van restwarmte of zonnewarmte in elektriciteit, " zei Borca-Tasciuc, hoogleraar bij de vakgroep Mechanische, ruimtevaart, en Nuclear Engineering bij Rensselaer.

"Dit is een zeer opwindende ontdekking omdat het de realisatie van nieuwe en nuttige thermo-elektrische eigenschappen combineert met een aangetoonde verwerkingsroute voorwaarts naar industriële toepassingen, " zei Siegel, de Robert W. Hunt hoogleraar Materials Science and Engineering aan Rensselaer.

Rensselaer afgestudeerde student Rutvik J. Mehta voerde dit werk uit voor zijn proefschrift. Mehta, Ramanat, en Borca-Tasciuc hebben een patent aangevraagd en een nieuw bedrijf opgericht, ThermoAura Inc., om de nieuwe technologie voor thermo-elektrische materialen verder te ontwikkelen en op de markt te brengen. Mehta is inmiddels afgestudeerd en is nu postdoctoraal medewerker bij Rensselaer. Hij is ook voorzitter van ThermoAura.

Naast koelkasten en airconditioning, de onderzoekers stellen zich voor dat deze technologie ooit zou kunnen worden gebruikt om computerchips te koelen.

Samen met Ramanath, Borca-Tasciuc, Siegel, en Mehta, co-auteurs van het artikel zijn Rensselaer-afgestudeerde studenten Yanliang Zhang, Chinnathambi Karthik, en Binay Singh.