Onzichtbaar kleine koolstofnanobuisjes die als vezels zijn uitgelijnd en in stoffen zijn genaaid, worden een thermo-elektrische generator die warmte van de zon of andere bronnen in energie kan omzetten.

Het Rice University-lab van natuurkundige Junichiro Kono leidde een inspanning met wetenschappers van de Tokyo Metropolitan University en de Rice-based Carbon Hub om aangepaste nanobuisvezels te maken en hun potentieel voor grootschalige toepassingen te testen.

Hun kleinschalige experimenten leidden tot een vezelversterkte, flexibele katoenen stof die warmte omzet in voldoende energie om een ​​LED van stroom te voorzien. Met verdere ontwikkeling, ze zeggen dat dergelijke materialen bouwstenen kunnen worden voor vezel- en textielelektronica en het oogsten van energie.

Dezelfde nanobuisvezels kunnen ook worden gebruikt als koellichamen om gevoelige elektronica actief te koelen met een hoog rendement.

Een paper over het project verschijnt in Natuurcommunicatie .

Het effect lijkt eenvoudig:als de ene kant van een thermo-elektrisch materiaal heter is dan de andere, het levert energie op. De warmte kan afkomstig zijn van de zon of andere apparaten zoals de kookplaten die in het textielexperiment zijn gebruikt. Omgekeerd, het toevoegen van energie kan het materiaal ertoe aanzetten de hetere kant af te koelen.

Tot nu, geen enkele macroscopische samenstelling van nanomaterialen heeft de noodzakelijke "gigantische arbeidsfactor, " ongeveer 14 milliwatt per meter kelvin in het kwadraat, die de Rice-onderzoekers hebben gemeten in koolstofnanobuisjes.

"De arbeidsfactor vertelt je hoeveel vermogensdichtheid je uit een materiaal kunt halen bij een bepaald temperatuurverschil en temperatuurgradiënt, " zei Rice afgestudeerde student Natsumi Komatsu, hoofdauteur van het artikel. Ze merkte op dat de arbeidsfactor van een materiaal een gecombineerd effect is van de elektrische geleidbaarheid en wat bekend staat als de Seebeck-coëfficiënt, een maatstaf voor zijn vermogen om thermische verschillen om te zetten in elektriciteit.

"De ultrahoge elektrische geleidbaarheid van deze vezel was een van de belangrijkste kenmerken, ' zei Komatsu.

De bron van deze superkracht heeft ook betrekking op het afstemmen van de inherente Fermi-energie van de nanobuisjes, een eigenschap die de elektrochemische potentiaal bepaalt. De onderzoekers waren in staat om de Fermi-energie te beheersen door de nanobuisjes die door het Rice-lab van co-auteur en chemisch en biomoleculair ingenieur Matteo Pasquali tot vezels zijn gemaakt, chemisch te doteren. waardoor ze de elektronische eigenschappen van de vezels kunnen afstemmen.

Terwijl de vezels die ze testten in centimeters werden gesneden, Komatsu zei dat er geen reden is waarom apparaten geen gebruik kunnen maken van de uitstekende nanobuisvezels van het Pasquali-lab die in continue lengtes worden gespoeld. "Waar je ze ook meet, ze hebben dezelfde zeer hoge elektrische geleidbaarheid, "zei ze. "Het stuk dat ik heb gemeten was alleen klein omdat mijn opstelling niet in staat is om 50 meter vezels te meten."

Pasquali is directeur van de Carbon Hub, die de ontwikkeling van koolstofmaterialen en waterstof bevordert op een manier die ook fundamenteel verandert hoe de wereld fossiele koolwaterstoffen gebruikt.

"Koolstof nanobuisvezels hebben een gestage groei doorgemaakt en blijken in steeds meer toepassingen voordelig te zijn, " zei hij. "In plaats van koolstof te verspillen door het te verbranden tot koolstofdioxide, we kunnen het repareren als bruikbare materialen die verdere milieuvoordelen hebben bij de opwekking en het transport van elektriciteit."

Of het nieuwe onderzoek leidt tot een zonnepaneel dat je in de wasmachine kunt gooien valt nog te bezien, maar Kono was het ermee eens dat de technologie een groot en gevarieerd potentieel heeft.

"Nanobuizen bestaan ​​al 30 jaar, en wetenschappelijk, er is veel bekend, " zei hij. "Maar om echte apparaten te maken, we hebben macroscopisch geordende of kristallijne assemblages nodig. Dat zijn de soorten nanobuisjes die Matteo's groep en mijn groep kunnen maken, en er zijn er veel, veel mogelijkheden voor toepassingen."

Co-auteurs van het artikel zijn Rice afgestudeerde studenten Oliver Dewey, Lauren Taylor en Mitchell Trafford en Geoff Wehmeyer, een assistent-professor werktuigbouwkunde; en Yota Ichinose, Professor Yohei Yomogida, en professor Kazuhiro Yanagi van de Tokyo Metropolitan University.