Een van de dromen van natuurkundigen van tegenwoordig is om elektriciteit terug te winnen uit gedissipeerde warmte. De sleutel hiervoor ligt waarschijnlijk in circuits die afzonderlijke moleculen bevatten. In plaats van beperkt te zijn tot klassieke geleiding, de thermokracht kan drastisch worden verbeterd door de eigenschappen van kwantumtoestanden. Maar dan, welke kwantumtoestanden bieden een goede efficiëntie? Welke eigenschappen zijn wenselijk? Theorie biedt vaak contrasterende voorspellingen. Helaas, experimenten hebben ook nog geen bewijs geleverd, omdat ze notoir moeilijk te installeren zijn. Maar nu, onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) in samenwerking met UC Louvain, Universiteit van Oxford, Northwestern University en Heriot-Watt University hebben precies dat gedaan. Ze hebben voor de allereerste keer experimenteel de poort- en bias-afhankelijke thermo-elektrische eigenschappen van een enkel molecuul onderzocht. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Het beheersen van de thermostroom door middel van enkele moleculen is de sleutel tot thermo-elektrische energieoogsters met ongekende efficiëntie. Dit is alleen in theorie waar, Hoewel, omdat gedetailleerde experimentele tests tot nu toe gewoon niet mogelijk waren:het bestuderen van de thermo-elektrische eigenschappen van een enkel molecuul is een moeilijke taak die de mogelijkheid vereist om één kant van een enkel molecuul precies op te warmen en de andere kant koud te houden. Het vereist ook de mogelijkheid om de resulterende minieme thermo-elektrische stromen nauwkeurig te meten, die slechts enkele fA-pA's groot zijn. Verder, afstembaarheid van experimentele parameters zoals de temperatuurbias die wordt toegepast op het enkele molecuul en de controle van zijn elektrochemische potentiaal zijn van vitaal belang voor een grondig begrip van de onderliggende fysica van thermo-elektriciteit in dergelijke atoomgrote objecten.

Lang gekoesterde veronderstellingen

In een nieuwe krant onderzoekers van de TU Delft komen tot zo'n uitdagend experiment. Ze gebruiken een nieuwe methodologie waarmee ze tegelijkertijd de elektrische en thermo-elektrische eigenschappen van een enkel molecuul kunnen bestuderen, en over een groot poort- en voorspanningsregime.

"Onze experimenten onthullen - voor de eerste keer - de rol van interne vrijheidsgraden, zoals moleculaire trillingen of spin-entropie, op de thermo-elektrische eigenschappen, ", zegt voormalig TU Delft-onderzoeker en universitair docent aan UC Louvain Pascal Gehring. "Door toegang te krijgen tot de thermo-elektrische responsfunctie, krijgen we volledig inzicht in de transmissiefunctie van enkelvoudige moleculen, en zo lang gekoesterde veronderstellingen over het samenspel van elektronische, spin en vibrationele vrijheidsgraden in moleculaire elektronica."

synthetische richtingen

De metingen zijn de eerste in hun soort. Ze onthullen de verschillende bijdragen van verschillende staten, en tonen het belang aan van elektron-vibrationele koppeling en van spin-entropie. Gehring:"We valideren dus theorieën over welke factoren de meest cruciale invloed hebben op de thermo-elektrische eigenschappen, en geef de synthetische richtingen aan om de omzetting van warmte naar energie in afzonderlijke moleculen te beïnvloeden."

De resultaten bieden ook de eerste realistische implementatie van een moleculair ontwerp. De onderzoekers ontdekten dat de thermo-elektrische respons van een enkel molecuul sterk wordt beïnvloed door zijn entropie, of met andere woorden, zijn staat van wanorde. Als de entropie van het molecuul veel verandert bij het toevoegen van een extra elektron (omdat, bijv. zijn spin vrijheidsgraad verandert), een verbeterde thermo-elektrische arbeidsfactor kan worden verkregen. Dus, het ontwerpen van enkele moleculen met hoge ruimtelijke of spin-entropie zou een veelbelovende nieuwe manier zijn om toekomstige thermo-elektrische stroomgeneratoren te ontwerpen voor toepassingen voor het oogsten van energie.