Usynlige partikler kunne forbedre termoelektriske enheder

Termoelektriske enheder - som enten kan generere en elektrisk strøm fra en temperaturforskel eller bruge elektricitet til at producere opvarmning eller afkøling uden bevægelige dele - er blevet udforsket i laboratoriet siden det 19. århundrede. I de seneste år, deres effektivitet er forbedret nok til at muliggøre begrænset kommerciel brug, såsom i kølesystemer indbygget i sæderne i biler. Men mere udbredt brug, for at udnytte spildvarme fra kraftværker og motorer, kræver bedre materialer.

Nu, en ny måde at forbedre effektiviteten af ​​sådanne enheder, udviklet af forskere ved MIT og Rutgers University, kunne føre til sådanne bredere anvendelser. Det nye værk, af professor i maskinteknik Gang Chen, Institut professor Mildred Dresselhaus, kandidatstuderende Bolin Liao, og nyligt postdoc Mona Zebarjadi og forsker Keivan Esfarjani (som begge nu er på fakultetet på Rutgers), er blevet offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

Selvom termoelektriske enheder har været tilgængelige kommercielt siden 1950'erne, deres effektivitet har været lav på grund af materialebegrænsninger. En nyere fremdrift for termoelektriske systemer stammer fra begyndelsen af ​​1990'erne, da Dresselhaus arbejdede på et projekt, finansieret af den amerikanske flåde, at forbedre termoelektriske materialer til lydløse kølesystemer til ubåde. Chen, som dengang arbejdede på varmeisolerende egenskaber af nanostrukturer, gik sammen med hende for at fremme termoelektriske materialer.

Gruppens konstatering af, at materialer i nanoskala kunne have egenskaber, der er væsentligt forskellige fra egenskaberne for større bidder af det samme materiale - arbejde, der involverede bittesmå partikler af et materiale indlejret i et andet, dannelse af nanokompositter - i sidste ende hjalp med at forbedre termoelektrisk enheds effektivitet. Det seneste arbejde fortsætter, at forskning, tuning af kompositionen, dimensioner og tæthed af de indlejrede nanopartikler for at maksimere materialets termoelektriske egenskaber.

Detaljeret computermodellering af det nye materiale viser, at det kan forbedre de parametre, der er nøglen til et effektivt termoelektrisk system:høj elektrisk ledningsevne (så elektricitet flyder let), lav varmeledningsevne (for at opretholde en temperaturgradient), og optimering af en ejendom kendt som Seebeck-koefficienten, som udtrykker hvor meget varme en elektron bærer, gennemsnitlig.

Det nye arbejde trækker også på metoder udviklet af optikforskere, der har forsøgt at skabe usynlighedskapper - måder at gøre objekter usynlige for visse radiobølger eller lysbølger ved hjælp af nanostrukturerede materialer, der bøjer lys. MIT-teamet anvendte lignende metoder til at indlejre partikler, der kunne reducere materialets termiske ledningsevne og samtidig holde dets elektriske ledningsevne høj.

"Det er lidt som en kappe for elektroner, " siger Dresselhaus. "Vi fik inspiration fra de optiske mennesker."

Konceptet, der gjorde forbedringerne mulige, forklarer forskerne, er noget, der kaldes anti-resonans - som får elektroner på de fleste energiniveauer til at blive blokeret af de indlejrede partikler, mens dem i et snævert energiområde passerer igennem med ringe modstand.

Liao og Zebarjadi, der udførte dette arbejde som postdoc ved MIT, udtænkt til at gøre nanopartiklerne usynlige for strømmen af ​​elektroner ved hjælp af dette anti-resonansprincip. Ved at justere størrelsen af ​​nanopartiklerne, forskerne gjorde dem usynlige for elektronerne, men ikke fononerne – de virtuelle partikler, der bærer varme.

Ud over, de fandt ud af, at de indlejrede nanopartikler faktisk forbedrede strømmen af ​​elektroner. "Vi kan øge den elektriske ledningsevne betydeligt, " siger Zebarjadi.

Den grundlæggende effekt var blevet observeret før, hun siger, men kun i gasser, ikke faste stoffer. "Da vi så det, vi sagde, det ville være rart, hvis vi kunne have sådan en spredning [af elektroner] i faste stoffer, " Zebarjadi siger - et resultat, hun og hendes kolleger i sidste ende var i stand til at opnå.

Teknikken er inspireret af et koncept kaldet modulationsdoping, som bruges til fremstilling af halvlederenheder. Indtil nu, arbejdet har været teoretisk. Det næste skridt vil være at bygge egentlige testenheder, siger teammedlemmerne. "Der er mange udfordringer på den eksperimentelle side, " siger Chen.

Joseph Heremans, professor i fysik ved Ohio State University, kalder værket "fabelagtige Harry Potter-ting, men alligevel troværdigt... virkelig nyt, og fuldstændig overraskende." han bemærker, at effekten er begrænset til et snævert område af elektronenergi, og vil kræve finjustering for at få det helt rigtige energiniveau. "Dette kan vise sig umuligt at opnå i laboratoriet, vi ved det bare ikke før nogen prøver " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.