Universiteit van Colorado Boulder-wetenschappers hebben een creatieve manier gevonden om thermo-elektrische materialen radicaal te verbeteren, een bevinding die ooit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van verbeterde zonnepanelen, energiezuinigere koelapparatuur, en zelfs de creatie van nieuwe apparaten die de enorme hoeveelheden warmte die bij elektriciteitscentrales wordt verspild, kunnen omzetten in meer elektriciteit.

De techniek - het bouwen van een reeks kleine pilaren bovenop een vel thermo-elektrisch materiaal - vertegenwoordigt een geheel nieuwe manier om een ​​eeuwenoud probleem aan te pakken, zei Mahmoud Hoessein, een assistent-professor in de lucht- en ruimtevaarttechniek die de ontdekking deed.

Het thermo-elektrisch effect, voor het eerst ontdekt in de jaren 1800, verwijst naar het vermogen om een ​​elektrische stroom te genereren uit een temperatuurverschil tussen de ene kant van een materiaal en de andere. Omgekeerd, het toepassen van een elektrische spanning op een thermo-elektrisch materiaal kan ervoor zorgen dat de ene kant van het materiaal opwarmt terwijl de andere kant koel blijft, of, alternatief, de ene kant om af te koelen terwijl de andere kant warm blijft.

Apparaten waarin thermo-elektrische materialen zijn verwerkt, zijn op beide manieren gebruikt:om elektriciteit op te wekken uit een warmtebron, zoals de zon, bijvoorbeeld, of om precisie-instrumenten te koelen door elektriciteit te verbruiken.

Echter, het wijdverbreide gebruik van thermo-elektrische materialen wordt belemmerd door een fundamenteel probleem dat wetenschappers al tientallen jaren bezig houdt. Materialen waar elektriciteit doorheen kan stromen, laten ook warmte door. Dit betekent dat tegelijkertijd een temperatuurverschil een elektrische potentiaal creëert, het temperatuurverschil zelf begint te verdwijnen, verzwakking van de stroom die het heeft gecreëerd.

Tot de jaren negentig, wetenschappers hebben dit probleem aangepakt door te zoeken naar materialen met intrinsieke eigenschappen waardoor elektriciteit gemakkelijker kan stromen dan warmte.

"Tot 20 jaar geleden, mensen keken naar de chemie van de materialen, " Zei Hussein. "En toen kwam nanotechnologie in beeld en stelden onderzoekers in staat de materialen te engineeren voor de eigenschappen die ze wilden."

Met behulp van nanotechnologie, materiaalfysici begonnen barrières te creëren in thermo-elektrische materialen - zoals gaten of deeltjes - die de stroom van warmte meer belemmerden dan de stroom van elektriciteit. Maar zelfs in het beste scenario, de stroom van elektronen - die elektrische energie dragen - werd ook vertraagd.

In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , Hussein en promovendus Bruce Davis tonen aan dat nanotechnologie op een heel andere manier kan worden gebruikt om de warmteoverdracht te vertragen zonder de beweging van elektronen te beïnvloeden.

Het nieuwe concept omvat het bouwen van een reeks pilaren op nanoschaal bovenop een plaat van een thermo-elektrisch materiaal, zoals silicium, om te vormen wat de auteurs een 'nanofonisch metamateriaal' noemen. Warmte wordt door het materiaal gedragen als een reeks trillingen, bekend als fononen. De atomen waaruit de miniatuurpilaren bestaan, trillen ook op verschillende frequenties. Davis en Hussein gebruikten een computermodel om aan te tonen dat de trillingen van de pilaren zouden interageren met de trillingen van de fononen, het vertragen van de warmtestroom. De pilaartrillingen zullen naar verwachting geen invloed hebben op de elektrische stroom.

Het team schat dat hun pilaren op nanoschaal de warmtestroom door een materiaal met de helft kunnen verminderen, maar de reductie zou aanzienlijk sterker kunnen zijn omdat de berekeningen zeer conservatief zijn gemaakt, zei Hussein.

"Als we de omzetting van thermo-elektrische energie aanzienlijk kunnen verbeteren, er komen allerlei belangrijke praktische toepassingen, "Zei Hussein. Deze omvatten het terugwinnen van de afvalwarmte die wordt uitgestoten door verschillende soorten apparatuur - van laptops tot auto's tot energiecentrales - en het omzetten van die warmte in elektriciteit. Betere thermo-elektriciteit zou ook de efficiëntie van zonnepanelen en koelapparatuur enorm kunnen verbeteren.

De volgende stap is dat Hussein samen met collega's van de afdeling natuurkunde en andere instellingen de pijlers gaat fabriceren zodat het idee in het laboratorium kan worden getest. "Dit is nog vroeg in de fase van laboratoriumdemonstratie, maar de resterende stappen zijn binnen handbereik."

Ook hoopt Hussein de modellen die hij gebruikte om meer inzicht te krijgen in de onderliggende fysica verder te verfijnen. "Een team van zeer gemotiveerde promovendi werkt de klok rond met mij aan dit project, " hij zei.