Silvija Gradečak heeft grote bedoelingen met kleine ingrediënten. De universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan het MIT richt zich op energieconversie en lichtoogst door het gebruik van nanomaterialen. Het is op deze microscopisch kleine schaal dat ze individuele componenten kan aanpassen, versmelt de delen, en maak een nieuw soort materiaal.

Het werk is niet zonder uitdagingen:het is nodig om stukken op atomaire schaal te begrijpen en delicaat in evenwicht te brengen en vervolgens in staat te zijn ontdekkingen die in het laboratorium zijn gedaan, toe te passen op een grotere werkruimte.

Maar er zijn ook grote mogelijkheden:haar zonnecellen zouden meer zonlicht kunnen opnemen en gebruiken. Haar gloeilampen kunnen langer meegaan, en haar thermo-elektrische apparaten konden warmte opnemen die anders verloren zou gaan en deze in energie omzetten. "We zijn op zoek naar efficiëntere, milieuvriendelijker, en goedkopere technologie met nieuwe mogelijkheden, ' zegt Gradečak.

Werken in gesloten ruimtes

Een voordeel van het gebruik van nanomaterialen is hun schaal, zegt Gradečak. De beperkte afmetingen zijn ideaal voor het afstemmen van de eigenschappen van elektronen, fotonen, en protonen, het bieden van de kans om individuele componenten op nanoschaal te engineeren en, met behulp van synthesemethoden, controle over hun eigenschappen en prestaties. Bijvoorbeeld, door de grootte en samenstelling van nanomaterialen te veranderen, Gradečak kan de energiebandafstand van een halfgeleider veranderen, waardoor fotonen van verschillende energieën kunnen worden geabsorbeerd in een nieuw type zonnecel.

Het onderzoek bevindt zich in de beginfase, maar Gradečak zegt dat er mogelijkheden zijn voor verschillende lichtoogsttoepassingen, zeker als het om efficiëntie gaat. Zoals het staat, binnen een uur, de aarde ontvangt genoeg zonlicht om een ​​jaar lang energie te leveren. Het probleem is dat slechts een deel van het zonlicht wordt gebruikt met de huidige zonnetechnologie.

De cellen van Gradečak kunnen worden aangepast om verschillende golflengten te absorberen en kunnen worden samengesteld uit verschillende soorten nanomaterialen:nanodraden, nanodeeltjes, en grafeen, die elk een specifieke functie hebben in het nieuwe type zonnecellen. De apparaten kunnen op gebouwen en andere oppervlakken worden geplaatst om rekening te houden met de behoeften van zowel een specifieke toepassing als een bepaalde geografische locatie. Daaraan toevoegend, de nieuwe zonnecellen zijn flexibel, lichtgewicht, en transparant - cellen zouden niet worden beperkt in hun plaatsing, maar nu kan worden gebruikt op gebogen en bewegende oppervlakken, zoals auto's en kleding. "Het oogsten van zonnelicht zou een kwestie van gemak worden, " ze zegt.

Spelen met kleuren

Een ander van haar projecten richt zich op de ontwikkeling van light-emitting diodes:de huidige bronnen van kunstlicht kunnen langer meegaan en efficiënter zijn. Zoals Gradečak zegt, ze genereren meer warmte dan licht. Er bestaan ​​gloeilampen op basis van halfgeleidende diodes en die zijn al efficiënter, maar ze zijn ook duurder. Nanodraden zouden de oplossing kunnen bieden. Ze kunnen op verschillende substraten worden gekweekt, waardoor de kosten dalen, en ze bevatten niet de gebreken die inherent zijn aan de huidige technologie.

De uitdaging bij het vervaardigen van lichtbronnen is het produceren van dezelfde kleuren en intensiteiten als de zon, en deze comfortabel te maken voor het menselijk oog. In het laboratorium van Gradečak, ze ontwerpt een apparaat dat groen kan uitzenden, blues, en rood in verschillende verhoudingen. Met nanotechnologie, ze kan de band gap van de materialen afstemmen en daardoor de golflengte veranderen. Tegelijkertijd, ze werkt aan technologie die blauw licht produceert dat wordt omgezet in rood en groen in verschillende verhoudingen met behulp van fosformaterialen, die blauw licht absorberen en in een andere kleur weer uitstralen.

De overkoepelende uitdaging bij het maken van een succesvolle transitie is het begrijpen van de nanocomponenten en ze laten samenwerken. Gradečak heeft een karakteriseringstechniek ontwikkeld die kan bepalen hoe het veranderen van de samenstelling en morfologie van de nanomaterialen de optische eigenschappen verandert. Of, zoals ze zegt, "Wat zijn de knoppen die we moeten afstemmen tijdens de synthese om specifieke functionaliteit te verkrijgen?"

Samen Daarmee, Gradečak zoekt naar manieren om de flexibiliteit en efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, vooral door transparante elektroden. Hier speelt haar gebruik van grafeen een sleutelrol. Momenteel, indiumtinoxide is de industriestandaard, maar het is duur. Grafeen heeft één laag koolstofatomen, evenals de nodige geleidbaarheid en flexibiliteit. De vraag die Gradečak blijft onderzoeken, is hoe materialen op grafeen kunnen worden gedeponeerd, zodat ze een interface kunnen vormen en een werkbare zonnecel kunnen produceren.

Temperatuur regelen:

Een van haar andere projecten betreft de ontwikkeling van een thermo-elektrisch apparaat. Net als bij een zonnecel, dit zou thermische energie benutten en omzetten in elektriciteit. Bijvoorbeeld, de motor van een auto genereert een hoge temperatuur, maar de meeste van die energie gaat verloren. Haar hoop is om die warmte op te vangen en uiteindelijk te gebruiken om de elektrische systemen van het voertuig van stroom te voorzien. Weer een stap verder, zonnecellen kunnen op diezelfde auto worden geplaatst om deze te verwarmen of te koelen. "Het is een ontwikkeling die ver in de toekomst ligt, maar een die nieuwe manieren zou openen om over energie te denken, ' zegt Gradečak.

Met al haar werk, een essentieel aspect is het beheersen van het schaalprobleem. Ze werkt met atomen van verschillende materialen. Elk zou kunnen worden aangepast, maar spelen met iemand kan anderen op onnoemelijke manieren beïnvloeden. De juiste interactie en balans kan worden gevonden, maar dat is slechts een deel van de vergelijking. De volgende en noodzakelijke stap in het proces is om een ​​bevinding in het lab te doen die werkt op 1 vierkante inch en deze te vertalen naar het echte leven, praktisch, door de industrie benodigde grootte, dit alles met behoud van kwaliteit en efficiëntie.

"Nanomaterialen bieden spannende mogelijkheden, en begrijpen hoe ze hun eigenschappen naar de macroscopische schaal kunnen vertalen, is de sleutel tot schaalbaarheid en nieuwe energietoepassingen die momenteel niet bestaan, ' zegt Gradečak.

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.