Løsning af den termoelektriske kompromis med metalliske carbon-nanorør

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har brugt justerede "metalliske" carbon nanorør til at oprette en enhed, der konverterer varme til elektrisk energi (en termoelektrisk enhed) med en højere effekt end rene halvledende carbon nanorør (CNT'er) i tilfældige netværk. Den nye enhed omgår den besværlige afvejning i halvledere mellem ledningsevne og elektrisk spænding, markant bedre end sin modpart. Højeffektive termoelektriske enheder kan bane vejen for mere effektiv brug af spildvarme, som bærbar elektronik.

Termoelektriske enheder kan direkte omdanne varme til elektricitet. Når vi tænker på mængden af ​​spildvarme i vores miljø som i klimaanlæg, køretøjsmotorer eller endda kropsvarme, det ville være revolutionerende, hvis vi på en eller anden måde kunne fjerne denne energi fra vores omgivelser og bruge den godt. Dette går på en eller anden måde til at drive tanken bag bærbar elektronik og fotonik, enheder, der kan bæres på huden og drives af kropsvarme. Begrænsede applikationer er allerede tilgængelige i form af kropsvarmedrevne lamper og smartwatches.

Den effekt, der udvindes fra en termoelektrisk enhed, når der dannes en temperaturgradient, påvirkes af enhedens ledningsevne og Seebeck -koefficienten, et tal, der angiver, hvor meget elektrisk spænding der genereres med en vis temperaturforskel. Problemet er, at der er en afvejning mellem Seebeck-koefficienten og konduktiviteten:Seebeck-koefficienten falder, når enheden gøres mere ledende. For at generere mere strøm, vi ønsker ideelt set at forbedre os begge .

Halvledende materialer betragtes generelt som overlegne kandidater til højtydende termoelektriske enheder. Imidlertid, et team ledet af prof. Kazuhiro Yanagi fra Tokyo Metropolitan University mødte en usandsynlig helt i form af "metalliske" CNT'er. I modsætning til rent halvledende CNT'er, de fandt ud af, at de samtidig kunne forbedre både konduktiviteten og Seebeck -koefficienten for metalliske CNT'er, afbryde afvejningen mellem disse to nøglemængder. Holdet viste videre, at disse unikke egenskaber stammer fra materialets endimensionelle metalliske elektroniske struktur. Desuden, de var i stand til at justere orienteringen af ​​de metalliske CNT'er, opnå et output, der var næsten fem gange større end film af tilfældigt orienterede rene halvledende CNT'er.

Højtydende termoelektriske elementer lader os ikke kun bruge kropsvarme til at drive vores smartphones, de potentielle biomedicinske applikationer vil sikre, at de spiller en vigtig rolle i daglige applikationer i fremtiden.