(PhysOrg.com) -- Datorer, glödlampor, och till och med människor genererar värme – energi som till slut går till spillo. Med en termoelektrisk anordning, som omvandlar värme till el och vice versa, du kan utnyttja den annars bortkastade energin. Termoelektriska enheter är utsedda för användning i nya och effektiva kylskåp, och andra kyl- eller värmemaskiner. Men dagens design är inte tillräckligt effektiv för utbredd kommersiell användning eller är gjorda av sällsynta material som är dyra och skadliga för miljön.

Forskare vid California Institute of Technology (Caltech) har utvecklat en ny typ av material — gjorda av kisel, det näst vanligaste elementet i jordskorpan - som kan leda till effektivare termoelektriska enheter. Materialet - en typ av nanomesh - består av en tunn film med ett rutnätsliknande arrangemang av små hål. Denna unika design gör det svårt för värme att färdas genom materialet, sänker dess värmeledningsförmåga till nära kiselns teoretiska gräns. På samma gång, designen tillåter elektricitet att flöda lika bra som den gör i omodifierat kisel.

"När det gäller att kontrollera värmeledningsförmågan, det här är ganska sofistikerade enheter, säger James Heath, Elizabeth W. Gilloon professor och professor i kemi vid Caltech, som ledde arbetet. En artikel om forskningen kommer att publiceras i oktobernumret av tidskriften Naturens nanoteknik .

En viktig strategi för att göra termoelektriska material energieffektiva är att sänka värmeledningsförmågan utan att påverka den elektriska ledningsförmågan, vilket är hur bra elektricitet kan färdas genom ämnet. Heath och hans kollegor hade tidigare åstadkommit detta med hjälp av nanotrådar av kisel - trådar av kisel som är 10 till 100 gånger smalare än de som för närvarande används i datormikrochips. Nanotrådarna fungerar genom att hindra värme samtidigt som de låter elektroner flöda fritt.

I vilket material som helst, värme färdas via fononer – kvantiserade vibrationspaket som är besläktade med fotoner, som i sig är kvantiserade paket av ljusvågor. Som fononer dragkedja längs materialet, de levererar värme från en punkt till en annan. Nanotrådar, på grund av deras små storlekar, har en stor yta i förhållande till sin volym. Och eftersom fononer sprider sig från ytor och gränssnitt, det är svårare för dem att ta sig igenom en nanotråd utan att studsa vilse. Som ett resultat, en nanotråd motstår värmeflöde men förblir elektriskt ledande.

Men att skapa smalare och smalare nanotrådar är endast effektivt upp till en viss punkt. Om nanotråden är för liten, den kommer att ha så stor relativ yta att till och med elektroner kommer att spridas, vilket får den elektriska ledningsförmågan att sjunka och förnekar de termoelektriska fördelarna med fononspridning.

För att komma runt detta problem, Caltech-teamet byggde ett nanomesh-material av ett 22 nanometer tjockt ark av kisel. (En nanometer är en miljarddels meter.) Kiselarket omvandlas till ett nät – liknande en liten fönsterskärm – med en mycket regelbunden uppsättning av 11 eller 16 nanometer breda hål som är placerade bara 34 nanometer från varandra.

Istället för att sprida fononerna som reser genom den, nanomesh förändrar hur dessa fononer beter sig, i huvudsak sakta ner dem. Egenskaperna hos ett visst material avgör hur snabbt fononer kan gå, och det visar sig att - åtminstone i kisel - nätstrukturen sänker denna hastighetsgräns. När det gäller fononerna, nanomesh är inte längre kisel alls. "Nanomesh beter sig inte längre på ett sätt som är typiskt för kisel, " säger Slobodan Mitrovic, en postdoktor i kemi vid Caltech. Mitrovic och Caltech doktorand Jen-Kan Yu är de första författarna på Naturens nanoteknik papper.

När forskarna jämförde nanomesh med nanotrådarna, de fann att – trots att de hade ett mycket högre förhållande mellan ytarea och volym – var nanotrådarna fortfarande dubbelt så värmeledande som nanomesh. Forskarna föreslår att minskningen av värmeledningsförmågan i nanomesh verkligen orsakas av att fononerna saktar ner, och inte av fononer som sprider sig från nätets yta. Teamet jämförde också nanomesh med en tunn film och med ett rutnätsliknande ark av kisel med egenskaper som är ungefär 100 gånger större än nanomesh; både filmen och gallret hade värmeledningsförmåga ungefär 10 gånger högre än nanomeshens.

Även om den elektriska ledningsförmågan hos nanomesh förblev jämförbar med vanlig, bulk kisel, dess värmeledningsförmåga reducerades till nära den teoretiska nedre gränsen för kisel. Och forskarna säger att de kan sänka den ytterligare. "Nu när vi har visat att vi kan bromsa fononerna, " Heath säger, "vem säger att vi inte kan bromsa dem mycket mer?"

Forskarna experimenterar nu med olika material och arrangemang av hål för att optimera deras design. "En dag, vi kanske kan konstruera ett material där du inte bara kan sakta ner fononerna, men du kan utesluta fononerna som bär värme helt, " säger Mitrovic. "Det skulle vara det ultimata målet."