Samma forskare som var banbrytande för användningen av en kvantmekanisk effekt för att omvandla värme till elektricitet har kommit på hur man får sin teknik att fungera i en form som är mer lämplig för industrin.

I Naturkommunikation , ingenjörer från Ohio State University beskriver hur de använde magnetism på en komposit av nickel och platina för att förstärka spänningsutmatningen 10 gånger eller mer - inte i en tunn film, som de gjort tidigare, men i ett tjockare material som mer liknar komponenter för framtida elektroniska enheter.

Många elektriska och mekaniska enheter, som bilmotorer, producerar värme som en biprodukt av deras normala drift. Det kallas "spillvärme, "och dess existens krävs av termodynamikens grundlagar, förklarade studieförfattare Stephen Boona.

Men ett växande forskningsområde som kallas solid-state termoelektrisk syftar till att fånga den spillvärmen inuti specialdesignade material för att generera kraft och öka den totala energieffektiviteten.

"Över hälften av den energi vi använder går till spillo och kommer in i atmosfären som värme, "sa Boona, en postdoktor vid Ohio State. "Termoelektricitet i fast tillstånd kan hjälpa oss att återvinna en del av den energin. Dessa enheter har inga rörliga delar, slits inte, är robusta och kräver inget underhåll. Tyvärr, hittills, de är också för dyra och inte tillräckligt effektiva för att motivera utbredd användning. Vi arbetar för att ändra det. "

Under 2012, samma forskningsgrupp i Ohio State, ledd av Joseph Heremans, visat att magnetfält kan öka en kvantmekanisk effekt som kallas spin Seebeck -effekten, och i sin tur öka spänningsutmatningen för tunna filmer gjorda av exotiska nanostrukturerade material från några mikrovolts till några millivolt.

I detta senaste framsteg, de har ökat produktionen för en komposit av två mycket vanliga metaller, nickel med strö av platina, från några nanovolt till tiotals eller hundratals nanovolt - en mindre spänning, men i en mycket enklare enhet som inte kräver någon nanofabrication och lätt kan skalas upp för industrin.

Heremans, professor i mekanisk och rymdteknik och Ohio Eminent Scholar i nanoteknik, sa att, i viss utsträckning, att använda samma teknik i tjockare material kräver att han och hans team omprövar ekvationerna som styr termodynamik och termoelektricitet, som utvecklades innan forskare visste om kvantmekanik. Och medan kvantmekanik ofta rör fotoner - vågor och ljuspartiklar - handlar Heremans forskning om magnoner - vågor och magnetismpartiklar.

"I grund och botten, klassisk termodynamik täcker ångmotorer som använder ånga som arbetsvätska, eller jetmotorer eller bilmotorer som använder luft som arbetsvätska. Termoelektriker använder elektroner som arbetsvätska. Och i detta arbete, vi använder magnetiseringskvantitet, eller 'magnoner, 'som en arbetsvätska, Sa Heremans.

Forskning inom magnonbaserad termodynamik har hittills alltid gjorts i tunna filmer-kanske bara några atomer tjocka-och till och med de bäst presterande filmerna producerar mycket små spänningar.

I 2012 års tidning, hans team beskrev att slå elektroner med magnoner för att driva dem genom termoelektriska material. I det aktuella Nature Communications -papper, de har visat att samma teknik kan användas i stora delar av kompositmaterial för att ytterligare förbättra återvinningen av spillvärme.

Istället för att applicera en tunn platinfilm ovanpå ett magnetiskt material som de kanske hade gjort tidigare, forskarna fördelade en mycket liten mängd platina nanopartiklar slumpmässigt genom ett magnetiskt material - i detta fall, nickel. Den resulterande kompositen producerade förbättrad spänningsutgång på grund av spin Seebeck -effekten. Detta betyder att för en viss mängd värme, kompositmaterialet genererade mer elektrisk kraft än vad något material kunde på egen hand. Eftersom hela kompositbiten är elektriskt ledande, andra elektriska komponenter kan dra spänningen från den med ökad effektivitet jämfört med en film.

Även om kompositen ännu inte är en del av en verklig enhet, Heremans är övertygad om att principprövningen som fastställs i denna studie kommer att inspirera till ytterligare forskning som kan leda till ansökningar om vanliga spillvärmegeneratorer, inklusive bil- och jetmotorer. Tanken är väldigt allmän, han lade till, och kan appliceras på en mängd olika materialkombinationer, möjliggör helt nya metoder som inte kräver dyra metaller som platina eller känsliga bearbetningsförfaranden som tunnfilmstillväxt.