Kooiachtige verbindingen die clathraten worden genoemd, kunnen worden gebruikt om restwarmte te oogsten en om te zetten in elektriciteit. UC Davis-chemici hebben zojuist een hele nieuwe klasse van clathrates ontdekt, mogelijk nieuwe manieren openen om deze materialen te maken en toe te passen.

Een clathraat is in feite een kooi van atomen met een ander atoom erin gevangen, zei Kirill Kovnir, assistent-professor scheikunde aan UC Davis, wie leidde het werk, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie . Omdat de kooi relatief groot is in vergelijking met het atoom, het opgesloten atoom kan van binnen rammelen, en dat betekent dat clathrates warmte zeer slecht geleiden, hij zei.

Wat ze kunnen doen, Hoewel, is warmte omzetten in elektriciteit .

"Onze energiebronnen verspillen ongeveer 60 procent of meer als warmte, " zei Kovnir. Bijvoorbeeld, een automotor genereert veel warmte, waarvan bijna niets nuttig wordt vastgelegd.

Thermo-elektrische apparaten die warmte kunnen omzetten in elektriciteit zijn bijvoorbeeld gebruikt om Mars-rovers aan te drijven, waar een radioactieve bron warmte afgeeft die wordt omgezet in elektriciteit om de rover aan te drijven. Algemeen verkrijgbare thermo-elektriciteit kan worden gebruikt voor toepassingen van het aandrijven van een horloge met lichaamswarmte tot het efficiënter maken van voertuigen.

Clathrates van metalen en andere atomen

Clathrates bestaan ​​al heel lang - als een klasse van materialen, ze werden in 1810 ontdekt door de chemicus Humphrey Davy. Clathraatstructuren op basis van water onder druk vangen methaanreserves op in de diepe oceaan.

Kovnir, echter, is meer geïnteresseerd in clathraten die zijn opgebouwd uit atomen zoals koper, zink en fosfor en barium die stabiel zijn bij kamertemperatuur.

Daten, alle beschreven clathraten zijn gebaseerd op een tetraëdrische structuur:elk atoom in de kooi is verbonden met vier andere atomen. Meer dan 200 jaar nadat ze werden ontdekt, Kovnir's team heeft stabiele clathrates geproduceerd en beschreven met atomen met vijf, zes of meer bindingen.

"Er werd aangenomen dat dat raamwerk tetraëdrisch moest worden gecoördineerd, " zei Kovnir. "Dit is het eerste geval waar ze niet hoeven te zijn, en het suggereert dat er nog veel meer mogelijk zijn."

De chemici probeerden de stabiliteit van de clathraatstructuur te onderzoeken toen ze de nieuwe verbindingen ontdekten. Om vier bindingen te maken, elk atoom heeft vier beschikbare elektronen nodig. Door atomen toe te voegen met meer elektronen (zoals zink) verwachtte Kovnir de clathraatstructuur te kunnen doorbreken. In plaats daarvan, ze ontdekten dat ze geheel nieuwe konden produceren, stabiele structuren, waaronder een met een kooi van zink, koper- en fosforatomen die een bariumatoom opsluiten. De nieuwe structuur stond op de omslag van het tijdschrift Angewandte Chemie, met een bijbehorend onderzoekshighlight.

De volgende stappen zijn het optimaliseren van de thermo-elektrische eigenschappen van de nieuwe materialen en kijken of ze deze kunnen aanpassen voor de beste prestaties, zei Kovnir.