Hurtigt tilberedte nanomaterialer i mikrobølgeovn for at lave morgendagens klimaanlæg

Ingeniørforskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har udviklet en ny metode til at skabe avancerede nanomaterialer, der kan føre til meget effektive køleskabe og kølesystemer, der ikke kræver kølemidler og ingen bevægelige dele. De vigtigste ingredienser til denne innovation er et strejf af nanoskala svovl og en normal, daglig mikrobølgeovn.

Kernen i disse solid-state kølesystemer er termoelektriske materialer, som kan omdanne elektricitet til en række forskellige temperaturer - fra varmt til koldt. Termoelektriske køleskabe, der anvender disse principper, har været tilgængelige i mere end 20 år, men de er stadig små og meget ineffektive. Dette skyldes i høj grad, at de materialer, der bruges i nuværende termoelektriske køleenheder, er dyre og vanskelige at lave i store mængder, og har ikke den nødvendige kombination af termiske og elektriske egenskaber. En ny undersøgelse, offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturmaterialer , overvinder disse udfordringer og åbner døren til en ny generation af højtydende, omkostningseffektiv solid state-køling og aircondition.

Rensselaer professor Ganpati Ramanath ledede undersøgelsen, i samarbejde med kollegerne Theodorian Borca-Tasciuc og Richard W. Siegel.

At drive dette forskningsgennembrud er tanken om bevidst at forurene, eller doping, nanostrukturerede termoelektriske materialer med næsten ingen mængder svovl. De dopede materialer opnås ved at koge materialet og dopemidlet sammen i få minutter i en købt mikrobølgeovn på $ 40. Det resulterende pulver formes til pellets i ærtestørrelse ved at påføre varme og tryk på en måde, der bevarer de egenskaber, der er udstyret med nanostruktureringen og dopingen. Disse pellets udviser egenskaber bedre end de hårdt fremstillede termoelektriske materialer, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet. Derudover denne nye metode til at skabe de dopede pellets er meget hurtigere, lettere, og billigere end konventionelle metoder til fremstilling af termoelektriske materialer.

"Dette er ikke en engangsopdagelse. Tværtimod, vi har udviklet og demonstreret en ny måde at skabe en helt ny klasse af doterede termoelektriske materialer med overlegne egenskaber, "sagde Ramanath, et fakultetsmedlem i Institut for Materialevidenskab og Teknik på Rensselaer. "Vores fund rummer virkelig potentialet til at omdanne kølens teknologiske landskab og få en reel indflydelse på vores liv."

At prøve at konstruere termoelektriske materialer er lidt som at spille et spil "tovtrækkeri, "Sagde Ramanath. Forskere bestræber sig på at kontrollere tre separate egenskaber ved materialet:elektrisk ledningsevne, varmeledningsevne, og Seebeck -koefficient. Manipulering af en af ​​disse egenskaber, imidlertid, nødvendigvis påvirker de to andre. Denne nye undersøgelse viser en ny måde at minimere indbyrdes afhængighed af disse tre egenskaber ved at kombinere doping og nanostrukturering i velkendte termoelektriske materialer såsom tellurider og selenider baseret på vismut og antimon.

Målet med tilpasning af disse tre egenskaber er at skabe et termoelektrisk materiale med en høj fortjenst, eller ZT, hvilket er et mål for, hvor effektivt materialet er til at omdanne varme til elektricitet. De nye pellets af nanomaterialer i ærtestørrelse udviklet af Rensselaer-teamet viste en ZT på 1 til 1,1 ved stuetemperatur. Da der opnås så høje værdier selv uden at optimere processen, forskerne er overbeviste om, at højere ZT kan opnås med noget smart teknik.

"Det er virkelig fantastisk, hvordan nanostrukturer krydret med kun få atomer svovl kan føre til sådanne overlegne termoelektriske egenskaber ved bulkmaterialet fremstillet af nanostrukturer, og giver os mulighed for at høste fordelene ved nanostrukturering på en makroskala, "Sagde Ramanath.

En vigtig facet af opdagelsen er evnen til at fremstille både p-type (positiv ladning) og n-type (negativ ladning) termoelektriske nanomaterialer med en høj ZT. Indtil nu, forskere rundt om i verden har kun været i stand til at lave store mængder af p-type materialer med høj ZT.

Derudover den nye undersøgelse viser, at Rensselaers forskergruppe kan lave portioner på 10 til 15 gram (nok til at lave flere pellets i ærter) af det dopede nanomateriale på to til tre minutter med en mikrobølgeovn. Større mængder kan produceres ved hjælp af mikrobølgeovne i industriel størrelse.

"Vores evne til skalerbart og billigt at producere både p- og n-type materialer med en høj ZT baner vej til fremstilling af højeffektive køleenheder, samt solid-state termoelektriske anordninger til høst af spildvarme eller solvarme til elektricitet, "sagde Borca-Tasciuc, professor ved Institut for Mekanik, Luftfart, og atomteknik på Rensselaer.

"Dette er en meget spændende opdagelse, fordi den kombinerer realiseringen af ​​nye og nyttige termoelektriske egenskaber med en demonstreret behandlingsvej frem til industrielle applikationer, sagde Siegel, Robert W. Hunt -professor i materialevidenskab og teknik ved Rensselaer.

Rensselaer kandidatstuderende Rutvik J. Mehta udførte dette arbejde til sin doktorafhandling. Mehta, Ramanath, og Borca-Tasciuc har indgivet patent og dannet et nyt selskab, ThermoAura Inc., at videreudvikle og markedsføre den nye termoelektriske materialeteknologi. Mehta er siden uddannet og er nu post-doktorandassistent på Rensselaer. Han fungerer også som formand for ThermoAura.

Ud over køleskabe og aircondition, forskerne forestiller sig, at denne teknologi en dag kan bruges til at afkøle computerchips.

Sammen med Ramanath, Borca-Tasciuc, Siegel, og Mehta, medforfattere af papiret er Rensselaer kandidatstuderende Yanliang Zhang, Chinnathambi Karthik, og Binay Singh.