Forbedring af energieffektiviteten et atom ad gangen

Paul Simmonds ser på sit molecular beam epitaxy (MBE) system, som andre fyre laver en slik æblerød Porsche. Den sci-fi-lignende maskine, der bruges til at designe og skabe nye materialer på atomniveau, oplyser hans øjne med ren glæde.

MBE er en banebrydende teknik, der giver mulighed for at designe og skabe helt nye materialer, der ikke findes i naturen. Ved at skabe ekstreme vakuum- og temperaturforhold, instrumentet tvinger atomer til at kombinere i unikke nanoskala krystallag. Ved at tilføje yderligere lag af designerkrystaller, nye materialer kan skabes med specifikke eller usædvanlige egenskaber.

Simmonds, en Cambridge kandidat, kom til Boise State i oktober fra University of California, Los Angeles, hvor han ledede Integrated NanoMaterials Lab. Inden da, han tilbragte tid som post doc på Yale. Han er nu adjunkt i både Institut for Fysik og Institut for Materialevidenskab og Teknik.

En vigtig forhandling under interviewprocessen var hans evne til at købe et MBE-system til hans Boise State laboratorium. Selvom han ikke fik en helt ny model, som koster mere end en million dollars, han fandt en, der var blevet brugt af luftvåbnet og tilknyttede selskaber, og han har renoveret og tilpasset den i sit laboratorium i Multipurpose Classroom Building.

Selvom der stadig er meget arbejde at gøre for at få det helt op at køre, det vil være en værdifuld ny ressource tilgængelig for Boise State fakultetet og studerende og for industrimedlemmer, der ønsker at samarbejde med Simmonds i deres forskning.

"MBE gør det muligt for os at kontrollere egenskaberne af nye krystaller med udsøgt præcision, helt ned til atomniveau, " sagde Simmonds. "Vi kan dyrke nanomaterialer med funktioner på kun et par milliardtedele af en meter i diameter, og endda kontrollere, hvor mange elektroner de har indeni dem."

I en nøddeskal, her er hvordan det virker.

Maskinen minder lidt om en atomsprøjtemaler. Forskellige "arme" er fyldt med elementer som germanium eller aluminium, som derefter stråles som atomer på en substratoverflade i et vakuumkammer. Atomerne på overfladen sorterer til sidst sig selv i et mønster, og fortsæt med at gøre det indtil en fast overflade er dannet. Et nyt lag startes derefter, og processen gentager sig selv indtil, nogle gange mange timer senere, det endelige produkt er opnået.

"Styrken ved dette er, at det er så alsidigt, " sagde Simmonds. "Du kan lave alle slags materialer - metaller, oxidmaterialer, halvledere..."

Processen kontrollerer også materialets renhed. Der er hurtigere metoder, men de kan ikke konkurrere med materialet, kvalitet, opløsning og kontrol tilbudt af MBE.

Simmonds planlægger at bygge videre på tidligere forskning, han lavede om en familie af halvledernanostrukturer kaldet III-V kvanteprikker. Kvanteprikker er nyttige til at omdanne lys til elektricitet, eller elektricitet til lys. Hans første projekt vil bruge denne teknologi til at skabe en ny slags enhed til at høste spildvarme og omdanne den til nyttig elektricitet. Et eksempel på spildvarme ville være et kraftværk, der mister en procentdel af sin varmeenergi genereret af gas, kul eller atomkraft.

"Hvis vi kan fange denne varme, der ellers går tabt, og omdanne den til elektricitet ved hjælp af vores enheder, så stiger kraftværkets samlede effektivitet betydeligt, " sagde han. Han søger i øjeblikket tilskud til at finansiere denne forskningslinje.

Simmonds sagde, at MBE-systemer bruges i laboratorier over hele verden for at skubbe fysikkens grænser tilbage, materialevidenskab, Elektroteknik, kemi og meget mere.

"Antallet af ting, de kan gøre, er enormt, " han sagde, "og de er meget tværfaglige."