Hoe houd je 's werelds kleinste frisdrank koud? Wetenschappers van de UCLA hebben misschien het antwoord.

Een team onder leiding van UCLA natuurkundeprofessor Chris Regan is erin geslaagd thermo-elektrische koelers te maken die slechts 100 nanometer dik zijn - ongeveer een tienmiljoenste van een meter - en heeft een innovatieve nieuwe techniek ontwikkeld om hun koelprestaties te meten.

"We hebben 's werelds kleinste koelkast gemaakt, " zei Regan, de hoofdauteur van een artikel over het onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd ACS Nano .

Om duidelijk te zijn, deze minuscule apparaten zijn geen koelkasten in de alledaagse zin - er zijn geen deuren of scherpere laden. Maar op grotere schaal, dezelfde technologie wordt gebruikt om computers en andere elektronische apparaten te koelen, temperatuurregeling in glasvezelnetwerken, en om beeldruis in high-end telescopen en digitale camera's te verminderen.

Wat zijn thermo-elektrische apparaten en hoe werken ze?

Gemaakt door twee verschillende halfgeleiders tussen gemetalliseerde platen te sandwichen, deze apparaten werken op twee manieren. Wanneer warmte wordt toegepast, de ene kant wordt heet en de andere blijft koel; dat temperatuurverschil kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. De wetenschappelijke instrumenten op NASA's Voyager-ruimtevaartuig, bijvoorbeeld, worden al 40 jaar aangedreven door elektriciteit van thermo-elektrische apparaten die om warmteproducerend plutonium zijn gewikkeld. In de toekomst, soortgelijke apparaten kunnen worden gebruikt om de warmte van de uitlaat van uw auto op te vangen om de airconditioner van stroom te voorzien.

Maar dat proces kan ook omgekeerd worden uitgevoerd. Wanneer een elektrische stroom op het apparaat wordt toegepast, de ene kant wordt heet en de andere kant koud, waardoor het dienst kan doen als koeler of koelkast. Deze opgeschaalde technologie kan op een dag het dampcompressiesysteem in uw koelkast vervangen en uw echte frisdrank ijzig houden.

Wat het UCLA-team deed?

Om hun thermo-elektrische koelers te maken, Het Regans-team, waaronder zes UCLA-studenten, gebruikte twee standaard halfgeleidermaterialen:bismuttelluride en antimoon-bismuttelluride. Ze bevestigden gewone plakband op stukken van de conventionele bulkmaterialen, pelde het af en vervolgens dun geoogst, single-cystal vlokken van het materiaal plakten nog aan de tape. Van deze vlokken, ze maakten functionele apparaten die slechts 100 nanometer dik zijn en een totaal actief volume hebben van ongeveer 1 kubieke micrometer, onzichtbaar voor het blote oog.

Om dit kleine volume in perspectief te plaatsen:je vingernagels groeien elke seconde met duizenden kubieke micrometers. Als je nagelriemen deze kleine koelers zouden maken in plaats van vingernagels, elke vinger zou meer dan 5 uitdraaien, 000 apparaten per seconde.

"We hebben het record voor 's werelds kleinste thermo-elektrische koeler met een factor tienduizend verbeterd, " zei Xin Yi Ling, een van de auteurs van het artikel en een voormalig student in de onderzoeksgroep van Regan.

Hoewel thermo-elektrische apparaten zijn gebruikt in nichetoepassingen vanwege voordelen zoals hun kleine formaat, hun gebrek aan bewegende delen en hun betrouwbaarheid, hun lage efficiëntie in vergelijking met conventionele op compressie gebaseerde systemen heeft een brede toepassing van de technologie verhinderd. Simpel gezegd, op grotere schaal, thermo-elektrische apparaten wekken niet genoeg elektriciteit op, of blijf koud genoeg - toch.

Maar door zich te concentreren op nanostructuren - apparaten met ten minste één dimensie in het bereik van 1 tot 100 nanometer - hopen Regan en zijn team nieuwe manieren te ontdekken om beter presterende bulkmaterialen te synthetiseren. De gewilde eigenschappen voor materialen in hoogwaardige thermo-elektrische koelers zijn goede elektrische geleidbaarheid en slechte thermische geleidbaarheid, maar deze eigenschappen sluiten elkaar bijna altijd uit. Echter, een winnende combinatie kan worden gevonden in bijna tweedimensionale structuren zoals die van Regans team.

Een bijkomend onderscheidend kenmerk van de 'koelkast' op nanoschaal van het team is dat deze vrijwel onmiddellijk kan reageren.

"Door zijn kleine formaat is hij miljoenen keren sneller dan een koelkast met een inhoud van een millimeter in blokjes, en dat zou al miljoenen keren sneller zijn dan de koelkast die je in je keuken hebt, ' zei Regan.

"Zodra we begrijpen hoe thermo-elektrische koelers werken op atomair en bijna-atomair niveau, " hij zei, "we kunnen opschalen naar de macroschaal, waar de grote uitbetaling is."

Meten hoe koud de apparaten worden

Het meten van temperatuur in zulke kleine apparaten is een uitdaging. Optische thermometers hebben een slechte resolutie op zulke kleine schalen, terwijl scanningsondetechnieken gespecialiseerde, dure apparatuur. Beide benaderingen vereisen nauwgezette kalibraties.

anno 2015, Regan's onderzoeksgroep ontwikkelde een thermometrietechniek genaamd PEET, of plasmon-energie-expansie-thermometrie, die een transmissie-elektronenmicroscoop gebruikt om temperaturen op nanoschaal te bepalen door veranderingen in dichtheid te meten.

Om de temperatuur van hun thermo-elektrische koelers te meten, de onderzoekers deponeerden op elk nanodeeltjes gemaakt van het element indium en selecteerden een specifiek deeltje als hun thermometer. Terwijl het team de hoeveelheid stroom op de koelers varieerde, de apparaten verwarmd en gekoeld, en het indium breidde zich overeenkomstig uit en kromp in. Door de dichtheid van het indium te meten, de onderzoekers konden de precieze temperatuur van het nanodeeltje en daarmee de koeler bepalen.

"PEET heeft de ruimtelijke resolutie om thermische gradiënten in kaart te brengen op de schaal van enkele nanometers - een bijna onontgonnen regime voor nanogestructureerde thermo-elektrische materialen, " zei Regan, die lid is van het California NanoSystems Institute aan de UCLA.

Als aanvulling op de PEET-metingen, de onderzoekers vonden een techniek uit die condensatiethermometrie wordt genoemd. Het basisidee is eenvoudig:wanneer normale lucht afkoelt tot een bepaalde temperatuur - het dauwpunt - condenseert waterdamp in de lucht tot vloeistofdruppels, ofwel dauw of regen. Het team maakte gebruik van dit effect door hun apparaat van stroom te voorzien terwijl het werd bekeken met een optische microscoop. Toen het apparaat het dauwpunt bereikte, kleine dauwdruppels vormden zich onmiddellijk op het oppervlak.

Regan prees het werk van zijn student-onderzoekers bij het helpen ontwikkelen en meten van de prestaties van de apparaten op nanoschaal.

"Het verbinden van geavanceerde materiaalwetenschap en elektronenmicroscopie met natuurkunde in alledaagse gebieden, zoals koeling en dauwvorming, helpt studenten om snel grip op de problemen te krijgen, "Zei Regan. "Als ik ze zie leren en innoveren, heb ik veel hoop voor de toekomst van thermo-elektriciteit."