Enligt en officiell uppskattning, amerikansk tillverkning, transport, privata och kommersiella konsumenter använder bara cirka 40 procent av den energi de använder, slösar bort 60 procent. Väldigt ofta, denna bortkastade energi försvinner som värme, eller termisk energi, från ineffektiv teknik som misslyckas med att skörda den potentiella kraften.

Nu ett team vid University of Massachusetts Amherst ledd av kemisten Dhandapani Venkataraman, "DV, " och elektriker Zlatan Aksamija, rapportera denna månad i Naturkommunikation på ett framsteg de skisserar mot effektivare, billigare, polymerbaserad skörd av värmeenergi.

"Det kommer att vara en överraskning för fältet, " DV förutspår, "det ger oss en annan nyckelvariabel som vi kan ändra för att förbättra polymerernas termoelektriska effektivitet. Detta borde göra oss, och andra, titta på polymer termoelektrik i ett nytt ljus."

Aksamija förklarar, "Att använda polymerer för att omvandla värmeenergi till el genom att skörda spillvärme har ökat intresset de senaste åren. Spillvärme representerar både ett problem men också en resurs. Ju mer värme slösar din process, desto mindre effektiv är den." Att skörda spillvärme är mindre svårt när det finns en lokal, högtemperaturgradientkälla att arbeta med, han lägger till, till exempel en högkvalitativ värmekälla som ett kraftverk.

Termoelektriska polymerer är mindre effektiva vid värmeskörd jämfört med styva, dyra att producera oorganiska metoder som ändå är ganska effektiva, Aksamija tillägger, men polymerer är värda att eftersträva eftersom de är billigare att tillverka och kan beläggas på flexibla material - att linda runt ett kraftverks avgasstapel, till exempel.

Nyligen, forskare har tagit itu med detta hinder med en process som kallas "dopning". Med det, forskare blandar kemiska eller andra komponenter i polymerer för att förbättra deras förmåga att flytta elektriska laddningar och öka effektiviteten. DV säger, "Tänk dig att vi har lagt till chokladflis, ett material som förbättrar konduktiviteten, till en kaka. Det är dopning. "

Men dopning innebär en avvägning, tillägger Aksamija. Det kan antingen uppnå mer ström och mindre termiskt inducerad spänning, eller mer spänning och mindre ström, men inte båda. "Om du förbättrar en fastighet, du gör den andra värre, " han förklarar, "och det kan ta mycket ansträngning för att bestämma den bästa balansen, " eller optimal dopning.

För att ta itu med detta, DV och hans kemi Ph.D. student Connor Boyle, med Aksamija och hans elektroteknik Ph.D. student Meenakshi Upadhyaya arbetade i vad DV kallar "ett sant samarbete, "där varje insikt från numeriska simuleringar informerade nästa serie experiment, och vice versa.

Kemisterna genomförde experiment, medan ingenjörsteamet utförde effektivitetsanalyser längs kurvan från "noll doping" till "maximal doping" för att identifiera den bästa balansen för många olika material. För det enorma antalet simuleringar de körde för att testa hundratals scenarier, de använde Massachusetts Green High Performance Computing Center i närliggande Holyoke.

säger Aksamija. "Vi kan nu berätta för dig, för varje givet material, vad är den optimala balansen mellan de två egenskaperna, och ett tag, människor var nöjda med att bara veta det. "Men på vägen, han lägger till, de upptäckte en helt ny variabel som ännu inte hade redovisats, en som visade sig vara avgörande för den dopade polymerens förmåga att skörda termisk energi effektivt.

Han säger, "Den ursprungliga analysen gick inte in på frågan om dopningskomponenternas position, om materialen klumpar sig eller inte och hur mycket de klumpar, eller kluster, som vi kallar det. Det visar sig att klustring är en kritisk variabel." Teamet vände sig till kemisten Michael Barnes, en medförfattare på deras senaste tidning, som använde Kelvin Probe Force Microscopy för att undersöka dopämnena på nanonivå och visa att klustring verkligen finns i polymerer dopade vid rumstemperatur, men inte vid högre temperaturer.

Med den bekräftelsen, forskarna övergick till att modellera en utökad avvägningskurva, säger Upadhyaya. Från deras teoretiska modellering, hon och Aksamija fann att klustring förändrar formen på den kurvan. För att förbättra effektiviteten utöver ström-spänningsavvägningen, man måste flytta hela avvägningskurvan, hon säger.

Detta oväntade fynd borde ge en ny väg för att designa mer effektiva polymerer för termoelektriska enheter, säger forskarna. DV noterar att fram till nu, kemister och materialforskare har försökt organisera polymerer för att vara mer som de oorganiska, "fint anpassade och mycket regelbundna, vilket är svårt att göra, " tillägger han. "Det visar sig att detta kanske inte är rätt väg att gå; du kan ta en annan väg eller ett annat tillvägagångssätt. Vi hoppas att detta dokument ger en grund för att flytta polymerbaserad termoelektrik framåt."