Thermo-elektrische apparaten - die ofwel een elektrische stroom kunnen genereren uit een temperatuurverschil of elektriciteit kunnen gebruiken om verwarming of koeling te produceren zonder bewegende delen - zijn sinds de 19e eeuw in het laboratorium onderzocht. In recente jaren, hun efficiëntie is voldoende verbeterd om beperkt commercieel gebruik mogelijk te maken, zoals in koelsystemen die in de stoelen van auto's zijn ingebouwd. Maar meer wijdverbreid gebruik, zoals het benutten van restwarmte van krachtcentrales en motoren, vraagt ​​om betere materialen.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe manier om de efficiëntie van dergelijke apparaten te verbeteren, ontwikkeld door onderzoekers van MIT en Rutgers University, zou kunnen leiden tot dergelijke bredere toepassingen. Het nieuwe werk, door professor werktuigbouwkunde Gang Chen, Instituutshoogleraar Mildred Dresselhaus, afgestudeerde student Bolin Liao, en recent postdoc Mona Zebarjadi en onderzoeker Keivan Esfarjani (beiden zijn nu verbonden aan de faculteit van Rutgers), is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Hoewel thermo-elektrische apparaten sinds de jaren vijftig in de handel verkrijgbaar zijn, hun efficiëntie was laag vanwege materiaalbeperkingen. Een nieuwere impuls voor thermo-elektrische systemen dateert uit het begin van de jaren negentig, toen Dresselhaus aan een project werkte, gefinancierd door de Amerikaanse marine, om thermo-elektrische materialen voor stille koelsystemen voor onderzeeërs te verbeteren. Chen, die toen werkte aan thermisch isolerende eigenschappen van nanostructuren, samen met haar om thermo-elektrische materialen vooruit te helpen.

De ontdekking van de groep dat materialen op nanoschaal eigenschappen kunnen hebben die aanzienlijk verschillen van die van grotere brokken van hetzelfde materiaal - werk waarbij kleine deeltjes van het ene materiaal waren ingebed in een ander, het vormen van nanocomposieten - hielp uiteindelijk bij het verbeteren van de efficiëntie van thermo-elektrische apparaten. Het laatste werk zet dat onderzoek voort, het afstemmen van de compositie, afmetingen en dichtheid van de ingebedde nanodeeltjes om de thermo-elektrische eigenschappen van het materiaal te maximaliseren.

Gedetailleerde computermodellering van het nieuwe materiaal laat zien dat het de parameters kan verbeteren die essentieel zijn voor een effectief thermo-elektrisch systeem:hoge elektrische geleidbaarheid (zodat elektriciteit gemakkelijk stroomt), lage thermische geleidbaarheid (om een ​​temperatuurgradiënt te behouden), en optimalisatie van een eigenschap die bekend staat als de Seebeck-coëfficiënt, die uitdrukt hoeveel warmte een elektron draagt, gemiddeld.

Het nieuwe werk is ook gebaseerd op methoden die zijn ontwikkeld door optica-onderzoekers die hebben geprobeerd onzichtbaarheidsmantels te maken - manieren om objecten onzichtbaar te maken voor bepaalde radiogolven of lichtgolven met behulp van nanogestructureerde materialen die licht buigen. Het MIT-team paste vergelijkbare methoden toe om deeltjes in te bedden die de thermische geleidbaarheid van het materiaal konden verminderen en tegelijkertijd de elektrische geleidbaarheid hoog konden houden.

"Het is een soort mantel voor elektronen, " zegt Dresselhaus. "We hebben inspiratie opgedaan bij de optische mensen."

Het concept dat de verbeteringen mogelijk maakte, leggen de onderzoekers uit, is iets dat anti-resonantie wordt genoemd - waardoor elektronen van de meeste energieniveaus worden geblokkeerd door de ingebedde deeltjes, terwijl die in een smal bereik van energieën er met weinig weerstand doorheen gaan.

Liao en Zebarjadi, die dit werk uitvoerde als postdoc aan het MIT, bedacht om de nanodeeltjes onzichtbaar te maken voor de stroom van elektronen met behulp van dit anti-resonantieprincipe. Door de grootte van de nanodeeltjes af te stemmen, de onderzoekers maakten ze onzichtbaar voor de elektronen, maar niet de fononen - de virtuele deeltjes die warmte transporteren.

In aanvulling, ze ontdekten dat de ingebedde nanodeeltjes de stroom van elektronen daadwerkelijk verbeterden. "We kunnen de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk verhogen, ' zegt Zebarjadi.

Dat fundamentele effect was al eerder waargenomen, ze zegt, maar alleen in gassen, geen vaste stoffen. "Toen we dat zagen, we zeiden, dat zou mooi zijn als we zo'n verstrooiing [van elektronen] in vaste stoffen zouden kunnen hebben, " zegt Zebarjadi - een resultaat dat zij en haar collega's uiteindelijk hebben kunnen bereiken.

De techniek is geïnspireerd op een concept genaamd modulatiedoping, die wordt gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiderapparaten. Tot dusver, het werk was theoretisch. De volgende stap is het bouwen van echte testapparaten, zeggen de teamleden. "Er zijn veel uitdagingen aan de experimentele kant, "zegt Chen.

Joseph Heremans, een professor in de natuurkunde aan de Ohio State University, noemt het werk "fantastische Harry Potter-dingen, maar toch geloofwaardig … echt nieuw, en totaal verrassend." Echter, hij merkt op dat het effect beperkt is tot een smal bereik van elektronenenergie, en zal fine-tuning vereisen om het energieniveau precies goed te krijgen. "Dit kan onmogelijk blijken te zijn in het laboratorium, we zullen het pas weten als iemand het probeert, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.