Bruce White werkte met halfgeleiders en transistors bij Motorola en Texas Instruments. Maar toen hij de industrie verliet voor een functie aan de faculteit van Binghamton University, de materiaalwetenschapper besloot zijn onderzoek een nieuwe wending te geven. "Ik wilde niet alleen blijven werken aan transistors en geheugen, White zegt. "Ik wilde proberen die tools toe te passen op grote problemen die de samenleving beïnvloeden."

Energie is een van die grote problemen; in de Verenigde Staten, meer dan de helft van de energie die we elk jaar verbranden, gaat verloren als warmte in plaats van te worden gebruikt.

"We doen al dit werk om olie uit de grond te halen en te raffineren, maar als we er wat mee proberen te doen, de meeste energie gaat uit de uitlaatpijp van een auto of uit de schoorsteen van een elektriciteitscentrale, " zegt White. "Zelfs als we een klein deel van wat we als warmte weggooien, zouden kunnen terugwinnen, dat zou een aanzienlijke impact hebben op ons energieverbruik."

Er zijn manieren om warmte om te zetten in elektriciteit. Als een materiaal aan de ene kant warm is en aan de andere kant koud, de stroom van warmte van warm naar koud kan worden omgezet in elektriciteit. Maar de meeste thermo-elektrische materialen die tegenwoordig op de markt zijn, zijn daar niet erg goed in. Het lastige deel, Wit zegt, zorgt ervoor dat de warmte op de ruggen van elektronen door het materiaal stroomt. Bij de meeste materialen, de warmte stroomt in een golf die ervoor zorgt dat de atomen van het materiaal sneller gaan trillen. Dat is geen handig fenomeen, en het vernietigt uiteindelijk het belangrijke warm-koud differentieel. In veel materialen, de vibratie van atomen voert 90 procent van de warmte weg voordat deze kan worden benut.

White's doel is om materialen te maken waar de vibratie-effecten worden geminimaliseerd - of, met andere woorden, waar een groter percentage van de warmte wordt vervoerd door elektronen, het creëren van een stroom van elektriciteit. Hij vindt het ook belangrijk om ervoor te zorgen dat die materialen overvloedig en niet-toxisch zijn.

White heeft misschien een kandidaat gevonden in zinkoxide, een stof die in veel merken sunblock wordt gebruikt. Zinkoxide is overvloedig aanwezig, goedkoop en veilig, en het is toevallig heel goed in het verplaatsen van elektronen. Helaas, in zijn normale staat, zinkoxide heeft een moleculaire structuur die warmte transporteert door atomen te laten trillen in plaats van deze om te zetten in elektriciteit.

Door zinkoxide op moleculair niveau te manipuleren, White en zijn collega's zijn in staat om het beter te maken in het opwekken van elektriciteit. Eerst, ze rekken het materiaal uit tot draden met een diameter van 50 nanometer. (Dat is ongeveer 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar.) Die ongelooflijke dunheid verandert de manier waarop warmte zich door het materiaal verspreidt. Volgende, ze verankeren de nanodraden in een silica-aerogel, een stof die slecht is in het geleiden van warmte. Vanwege de interessante en unieke interacties die op zeer kleine schaal plaatsvinden, nanodraden kunnen de eigenschappen van omringende materialen aannemen. In dit geval, de draden werden zeer slechte warmtegeleiders. Hun vermogen om warmte te geleiden door atomaire trillingen nam af met een factor 10, dus hun efficiëntie bij het omzetten van warmte in elektriciteit schoot omhoog. De resultaten zijn in april 2013 gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , het beste tijdschrift in het veld.

Wat bijzonder spannend is aan deze ontdekking, Wit zegt, is dat de materialen van de draden en de aerogel kunnen worden gemengd en aangepast om de thermo-elektrische eigenschappen aan te passen voor verschillende toepassingen, zoals het benutten van restwarmte van een elektriciteitscentrale, auto of huishoudelijke oven. Omdat aerogels bijna transparant zijn, White stelt zich zelfs voor om raamcoatings te maken die gebruik maken van temperatuurverschillen tussen binnen en buiten om elektriciteit op te wekken.

Met de juiste materialen, het kan mogelijk zijn om de verbrandingsmotor helemaal te elimineren. White en zijn laboratoriumleden denken dat ze daar misschien een manier voor hebben. Het komt allemaal neer op silicium, dat is een uitstekende halfgeleider - daarom zijn onze elektronische apparaten op silicium gebaseerd - maar is ook erg goed in het geleiden van warmte via atomaire trillingen. De groep van White verwijdert die trillingen door een silicium-tincomposiet te bouwen met behulp van een nieuwe fabricagetechniek die het materiaal laag voor laag laat groeien.

Het werk trok de aandacht van het Naval Research Office, die voorziet in financiering voor White's onderzoek. "Het is zijn fabricagemethode die het echt anders maakt, " zegt Robert Walters, hoofd van de afdeling Solid State Devices van het Naval Research Laboratory. "Bruce heeft de fabricagetechniek ontwikkeld waarvan we denken dat deze de gelaagde silicium-tinstructuur daadwerkelijk zal bereiken, waarvan we denken dat we die echt nodig hebben om de thermische en elektrische eigenschappen van silicium te ontkoppelen. … Het is een heel goed idee. Het is innovatief en het is anders dan andere dingen die we hebben gezien."

Het nieuwe composietmateriaal heeft een thermische geleidbaarheid van 1, 000 keer lager dan gewoon silicium. De groep hoopt het nog drie keer lager te maken door het kristal zuiverder en gelijkmatiger van patroon te maken. Als de thermische geleidbaarheid zo laag wordt, het materiaal zou zo goed zijn in het omzetten van warmte in elektriciteit dat het een auto zou kunnen aandrijven met het branden van een vlam.

Dat is nog ver in de toekomst, Hoewel. Terwijl ze werken aan het verfijnen van de materialen die ze al hebben ontwikkeld, White's groep staat op het punt om minder extreme materialen te maken die nog steeds een grote impact kunnen hebben. Warmteopwekkende materialen, die achteraf op de uitlaat of radiator van een auto kan worden gemonteerd, zou binnenkort genoeg elektriciteit kunnen opwekken om de elektronica van de auto van stroom te voorzien. "Dat alleen al zou de brandstofefficiëntie met een paar mijl per gallon kunnen verhogen, ", zegt White. "Als je erover nadenkt om het te integreren in de hele autovloot, dat maakt een enorm verschil."