Vævede nanorørfibre omdanner varme til strøm

Usynligt små kulstof nanorør justeret som fibre og syet ind i stoffer bliver en termoelektrisk generator, der kan omdanne varme fra solen eller andre kilder til energi.

Fysikeren Junichiro Konos Rice University-laboratorium ledede en indsats med forskere ved Tokyo Metropolitan University og den Rice-baserede Carbon Hub for at lave tilpassede nanorørfibre og teste deres potentiale til anvendelse i stor skala.

Deres småskalaforsøg førte til en fiberforstærket, fleksibelt bomuldsstof, der forvandlede varme til nok energi til at drive en LED. Med videreudvikling, de siger, at sådanne materialer kan blive byggesten til fiber- og tekstilelektronik og energihøst.

De samme nanorørfibre kunne også bruges som køleplader til aktivt at afkøle følsom elektronik med høj effektivitet.

Et papir om projektet vises i Naturkommunikation .

Effekten virker simpel:Hvis den ene side af et termoelektrisk materiale er varmere end den anden, det producerer energi. Varmen kan komme fra solen eller andre enheder som kogepladerne, der blev brugt i stofforsøget. Omvendt tilføjelse af energi kan få materialet til at afkøle den varmere side.

Indtil nu, ingen makroskopiske samlinger af nanomaterialer har vist den nødvendige "gigantiske kraftfaktor, "omkring 14 milliwatt pr. meter kelvin i kvadrat, som Rice-forskerne målte i kulstof nanorørfibre.

"Powerfaktoren fortæller dig, hvor meget effekttæthed du kan få ud af et materiale ved en bestemt temperaturforskel og temperaturgradient, " sagde Rice-studerende Natsumi Komatsu, hovedforfatter af papiret. Hun bemærkede, at et materiales effektfaktor er en kombineret effekt fra dets elektriske ledningsevne og det, der er kendt som Seebeck-koefficienten, et mål for dens evne til at omsætte termiske forskelle til elektricitet.

"Denne fibers ultrahøje elektriske ledningsevne var en af ​​nøgleegenskaberne, " sagde Komatsu.

Kilden til denne supermagt relaterer sig også til tuning af nanorørets iboende Fermi-energi, en egenskab, der bestemmer det elektrokemiske potentiale. Forskerne var i stand til at kontrollere Fermi-energien ved kemisk at dope nanorørene lavet til fibre af Rice lab af medforfatter og kemisk og biomolekylær ingeniør Matteo Pasquali, giver dem mulighed for at tune fibrenes elektroniske egenskaber.

Mens fibrene, de testede, blev skåret i centimeterlængder, Komatsu sagde, at der ikke er nogen grund til, at enheder ikke kan gøre brug af de fremragende nanorørfibre fra Pasquali-laboratoriet, der er spolet i kontinuerlige længder. "Uanset hvor du måler dem, de har den samme meget høje elektriske ledningsevne, " sagde hun. "Det stykke, jeg målte, var kun lille, fordi mit setup ikke er i stand til at måle 50 meter fiber."

Pasquali er direktør for Carbon Hub, som fremmer en udvidelse af udviklingen af ​​kulstofmaterialer og brint på en måde, der også fundamentalt ændrer, hvordan verden bruger fossile kulbrinter.

"Carbon nanorørfibre har været på en stabil vækstvej og har vist sig fordelagtige i flere og flere applikationer, " sagde han. "I stedet for at spilde kulstof ved at forbrænde det til kuldioxid, vi kan reparere det som nyttige materialer, der har yderligere miljøfordele i elproduktion og transport."

Hvorvidt den nye forskning fører til et solpanel, du kan smide i vaskemaskinen, skal vise sig, men Kono var enig i, at teknologien har et stort og varieret potentiale.

"Nanorør har eksisteret i 30 år, og videnskabeligt, meget er kendt, " sagde han. "Men for at lave enheder fra den virkelige verden, vi har brug for makroskopisk ordnede eller krystallinske samlinger. Det er de typer af nanorørprøver, som Matteos gruppe og min gruppe kan lave, og der er mange, mange anvendelsesmuligheder."

Medforfattere til papiret er Rice kandidatstuderende Oliver Dewey, Lauren Taylor og Mitchell Trafford og Geoff Wehmeyer, en adjunkt i maskinteknik; og Yota Ichinose, Professor Yohei Yomogida, og professor Kazuhiro Yanagi fra Tokyo Metropolitan University.