Wetenschappers van de Tokyo Metropolitan University hebben uitgelijnde "metalen" koolstofnanobuisjes gebruikt om een ​​apparaat te maken dat warmte omzet in elektrische energie (een thermo-elektrisch apparaat) met een hoger uitgangsvermogen dan pure halfgeleidende koolstofnanobuizen (CNT's) in willekeurige netwerken. Het nieuwe apparaat omzeilt de lastige afweging in halfgeleiders tussen geleidbaarheid en elektrische spanning, aanzienlijk beter presteert dan zijn tegenhanger. Krachtige thermo-elektrische apparaten kunnen de weg vrijmaken voor een efficiënter gebruik van restwarmte, zoals draagbare elektronica.

Thermo-elektrische apparaten kunnen warmte direct omzetten in elektriciteit. Als we nadenken over de hoeveelheid verspilde warmte in onze omgeving, zoals bij airconditioninguitlaten, voertuigmotoren of zelfs lichaamswarmte, het zou revolutionair zijn als we deze energie op de een of andere manier uit onze omgeving zouden kunnen halen en er goed gebruik van zouden kunnen maken. Dit draagt ​​enigszins bij aan de gedachte achter draagbare elektronica en fotonica, apparaten die op de huid kunnen worden gedragen en worden aangedreven door lichaamswarmte. Er zijn al beperkte toepassingen beschikbaar in de vorm van door lichaamswarmte aangedreven lampen en smartwatches.

Het vermogen dat wordt onttrokken aan een thermo-elektrisch apparaat wanneer een temperatuurgradiënt wordt gevormd, wordt beïnvloed door de geleidbaarheid van het apparaat en de Seebeck-coëfficiënt, een getal dat aangeeft hoeveel elektrische spanning er wordt opgewekt bij een bepaald temperatuurverschil. Het probleem is dat er een wisselwerking is tussen de Seebeck-coëfficiënt en de geleidbaarheid:de Seebeck-coëfficiënt daalt wanneer het apparaat meer geleidend wordt gemaakt. Om meer vermogen te genereren, we willen idealiter verbeteren beide .

Halfgeleidende materialen worden over het algemeen beschouwd als superieure kandidaten voor hoogwaardige thermo-elektrische apparaten. Echter, een team onder leiding van prof. Kazuhiro Yanagi van de Tokyo Metropolitan University ontmoette een onwaarschijnlijke held in de vorm van "metalen" CNT's. In tegenstelling tot zuiver halfgeleidende CNT's, ze ontdekten dat ze tegelijkertijd zowel de geleidbaarheid als de Seebeck-coëfficiënt van metalen CNT's konden verbeteren, het verbreken van de afweging tussen deze twee sleutelgrootheden. Het team toonde verder aan dat deze unieke eigenschappen voortkwamen uit de eendimensionale metalen elektronische structuur van het materiaal. Verder, ze waren in staat om de oriëntatie van de metalen CNT's uit te lijnen, het bereiken van een output die bijna vijf keer die van films van willekeurig georiënteerde zuivere halfgeleidende CNT's was.

Niet alleen laten hoogwaardige thermo-elektrische elementen ons lichaamswarmte gebruiken om onze smartphones van stroom te voorzien, de potentiële biomedische toepassingen zullen ervoor zorgen dat ze in de toekomst een belangrijke rol gaan spelen in alledaagse toepassingen.