Nanoskala -søjler kan radikalt forbedre omdannelsen af ​​varme til elektricitet

Boulder -forskere fra University of Colorado har fundet en kreativ måde til radikalt at forbedre termoelektriske materialer, et fund, der en dag kan føre til udvikling af forbedrede solpaneler, mere energieffektivt køleudstyr, og endda oprettelsen af ​​nye enheder, der kunne forvandle de store mængder varme, der spildes på kraftværker, til mere elektricitet.

Teknikken-at bygge en række små søjler oven på et ark af termoelektrisk materiale-repræsenterer en helt ny måde at angribe et århundrede gammelt problem, sagde Mahmoud Hussein, en assisterende professor i rumfartsingeniørvidenskab, der var banebrydende for opdagelsen.

Den termoelektriske effekt, først opdaget i 1800 -tallet, refererer til evnen til at generere en elektrisk strøm fra en temperaturforskel mellem den ene side af et materiale og den anden. Omvendt at anvende en elektrisk spænding til et termoelektrisk materiale kan få den ene side af materialet til at varme op, mens den anden forbliver kølig, eller, alternativt, den ene side for at køle ned, mens den anden forbliver varm.

Enheder, der indeholder termoelektriske materialer, er blevet brugt på begge måder:til at skabe elektricitet fra en varmekilde, såsom solen, for eksempel, eller at afkøle præcisionsinstrumenter ved at forbruge elektricitet.

Imidlertid, den udbredte anvendelse af termoelektriske materialer er blevet forhindret af et grundlæggende problem, der har holdt forskere travlt i årtier. Materialer, der lader elektricitet strømme gennem dem, tillader også varme at strømme gennem dem. Det betyder, at en temperaturforskel samtidig skaber et elektrisk potentiale, selve temperaturforskellen begynder at forsvinde, svækker den strøm, den skabte.

Indtil 1990'erne, forskere tog fat på dette problem ved at lede efter materialer med iboende egenskaber, der tillod elektricitet at strømme lettere end varme.

"Indtil for 20 år siden, folk kiggede på materialernes kemi, "Sagde Hussein." Og så kom nanoteknologi ind i billedet og tillod forskere at konstruere materialerne til de egenskaber, de ønskede. "

Ved hjælp af nanoteknologi, materialefysikere begyndte at skabe barrierer i termoelektriske materialer - såsom huller eller partikler - der hindrede varmestrømmen mere end strømmen af ​​elektricitet. Men selv under det bedste scenario, strømmen af ​​elektroner - som bærer elektrisk energi - blev også bremset.

I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , Hussein og doktorand Bruce Davis demonstrerer, at nanoteknologi kunne bruges på en helt anden måde til at bremse varmeoverførslen uden at påvirke elektroners bevægelse.

Det nye koncept indebærer at bygge en vifte af nanoskala søjler oven på et ark af et termoelektrisk materiale, såsom silicium, at danne det, forfatterne kalder et "nanofononisk metamateriale." Varme føres gennem materialet som en række vibrationer, kendt som fononer. Atomer, der udgør miniaturestolperne, vibrerer også ved forskellige frekvenser. Davis og Hussein brugte en computermodel til at vise, at vibrationerne i søjlerne ville interagere med vibrationerne i fononerne, bremse varmestrømmen. Søjlevibrationerne forventes ikke at påvirke den elektriske strøm.

Teamet vurderer, at deres nanoskala -søjler kan reducere varmestrømmen gennem et materiale til det halve, men reduktionen kunne være betydeligt stærkere, fordi beregningerne blev foretaget meget konservativt, Sagde Hussein.

"Hvis vi kan forbedre termoelektrisk energiomdannelse betydeligt, der vil være alle slags vigtige praktiske anvendelser, "Sagde Hussein. Disse omfatter at genvinde spildvarmen fra forskellige typer udstyr - fra bærbare computere til biler til kraftværker - og omdanne den varme til elektricitet. Bedre termoelektriske instrumenter kan også forbedre effektiviteten af ​​solpaneler og køleanordninger markant.

Næste trin er, at Hussein samarbejder med kolleger i fysikafdelingen og andre institutioner om at fremstille søjlerne, så ideen kan testes i laboratoriet. "Dette er stadig tidligt i fasen af ​​laboratoriedemonstration, men de resterende trin er inden for rækkevidde."

Hussein håber også på yderligere at forfine de modeller, han brugte for at få yderligere indsigt i den underliggende fysik. "Et team af stærkt motiverede ph.d. -studerende arbejder med mig døgnet rundt om dette projekt, " han sagde.