Forsker tilpasser systemer i nanoskala til storskalapåvirkning i lys og energi

Silvija Gradečak har store hensigter med små ingredienser. Lektoren i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved MIT fokuserer på energiomdannelse og lyshøst gennem brug af nanomaterialer. Det er på disse mikroskopiske skalaer, hun kan tilpasse individuelle komponenter, blande delene, og skabe en ny slags materiale.

Arbejdet er ikke uden sine udfordringer:Der er behov for at forstå og nænsomt balancere brikker på atomskalaen og derefter være i stand til at tage opdagelser gjort i laboratoriet og anvende dem på et større arbejdsområde.

Men der er også store muligheder:Hendes solceller kunne absorbere og bruge mere sollys. Hendes pærer kunne holde længere, og hendes termoelektriske enheder kunne tage varme, der ellers ville gå tabt, og omdanne den til energi. "Vi leder efter mere effektive, mere miljøvenlig, og billigere teknologi med nye muligheder, " siger Gradečak.

Arbejde i lukkede rum

En fordel ved at bruge nanomaterialer er deres skala, Gradečak siger. De begrænsede dimensioner er ideelle til at skræddersy elektronernes egenskaber, fotoner, og protoner, giver mulighed for at konstruere individuelle komponenter i nanoskala og, ved hjælp af syntesemetoder, kontrollere deres egenskaber og ydeevne. For eksempel, ved at ændre størrelsen og sammensætningen af ​​nanomaterialer, Gradečak kan ændre en halvleders energibåndgab, tillader fotoner af forskellige energier at blive absorberet i en ny type solcelle.

Forskningen er i sin tidlige fase, men Gradečak siger, at potentialet eksisterer for forskellige lys-høstningsapplikationer, specielt når det kommer til effektivitet. Som det står, inden for en time, Jorden modtager nok sollys til at levere et års energi. Problemet er, at kun en del af sollyset bruges med den nuværende solteknologi.

Gradečaks celler kunne tilpasses til at absorbere forskellige bølgelængder og sammensættes af flere typer nanomaterialer - nanotråde, nanopartikler, og grafen – som hver især har en specifik funktion i den nye type solceller. Enhederne kunne sættes på bygninger og andre overflader for at tage hensyn til behovene for både en specifik applikation og en given geografisk placering. Ud over det, de nye solceller er fleksible, letvægts, og gennemsigtige – celler ville ikke være begrænset i deres placering, men kan nu bruges på buede og bevægelige overflader, såsom biler og tøj. "At høste sollys ville blive et spørgsmål om bekvemmelighed, " hun siger.

Leger med farver

Et andet af hendes projekter fokuserer på at udvikle lysemitterende dioder:Nuværende kilder til kunstigt lys kunne holde længere og være mere effektive. Som Gradečak siger, de genererer mere varme end lys. Pærer baseret på halvledende dioder findes, og de er allerede mere effektive, men de er også dyrere. Nanotråde kunne holde løsningen. De kan dyrkes på en række forskellige substrater, derved sænke omkostningerne, og de indeholder ikke de fejl, der er iboende i den nuværende teknologi.

Udfordringen med at fremstille lyskilder er at producere de samme farver og intensiteter som solen, og gør disse behagelige for det menneskelige øje. I Gradečaks laboratorium, hun designer en enhed, der er i stand til at udsende greens, blues, og røde i forskellige forhold. Med nanoteknologi, hun kan indstille materialernes båndgab og dermed ændre bølgelængden. Samtidigt, hun arbejder på teknologi, der producerer blåt lys, der omdannes til rødt og grønt i forskellige proportioner ved brug af fosformaterialer, som absorberer blåt lys og genudsender det i en anden farve.

Den overliggende udfordring med at lave en vellykket overgang er at forstå nanokomponenterne og få dem til at fungere sammen. Gradečak har udviklet en karakteriseringsteknik, der kan bestemme, hvordan ændring af nanomaterialernes sammensætning og morfologi ændrer de optiske egenskaber. Eller, som hun siger, "Hvad er de knapper, vi skal indstille under syntesen for at opnå specifik funktionalitet?"

Sammen med det Gradečak ser på måder at øge fleksibiliteten og effektiviteten af ​​solceller, især gennem gennemsigtige elektroder. Det er her, hendes brug af grafen spiller en nøglerolle. I øjeblikket, indiumtinoxid er industristandarden, men det er dyrt. Grafen har et lag af kulstofatomer, samt den nødvendige ledningsevne og fleksibilitet. Spørgsmålet, som Gradečak fortsætter med at udforske, er, hvordan man deponerer materialer på grafen, for at få dem til at interface og producere en brugbar solcelle.

Styring af temperatur

Et af hendes andre projekter involverer udvikling af en termoelektrisk enhed. Ligesom en solcelle, dette ville udnytte termisk energi og omdanne den til elektricitet. For eksempel, en bils motor genererer en høj temperatur, men det meste af den energi går til spilde. Hendes håb er at fange den varme og i sidste ende bruge den til at drive køretøjets elektriske systemer. Taget et skridt videre, solceller kunne placeres på den samme bil for at opvarme eller afkøle den. "Det er en udvikling, der ligger langt ude i fremtiden, men en der ville åbne op for nye måder at tænke energi på, " siger Gradečak.

Med alt hendes arbejde, et væsentligt aspekt er at mestre spørgsmålet om skala. Hun arbejder med atomer af forskellige materialer. Hver enkelt kunne tilpasses, men at lege med én kan påvirke andre på utallige måder. Den korrekte interaktion og balance kan findes, men det er kun en del af ligningen. Det næste og nødvendige trin i processen er at tage et fund i laboratoriet, der arbejder på 1 kvadrattomme og oversætte det til det virkelige liv, praktisk, industri nødvendige størrelse, alt imens kvaliteten og effektiviteten bevares.

"Nanomaterialer giver spændende muligheder, og forståelsen af, hvordan man oversætter deres egenskaber til den makroskopiske skala, er nøglen til skalerbarhed og nye energiapplikationer, som i øjeblikket ikke eksisterer, " siger Gradečak.

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.