(PhysOrg.com) -- Spillvärme är en biprodukt av nästan alla elektriska apparater och industriella processer, från att köra bil till att flyga ett flygplan eller driva ett kraftverk. Ingenjörsforskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat nya nanomaterial som kan leda till tekniker för att bättre fånga upp och få denna spillvärme att fungera. De viktigaste ingredienserna för att göra marmorstora pellets av det nya materialet är aluminium och en vanlig, vardagsmikrovågsugn.

Att skörda el från spillvärme kräver ett material som är bra på att leda el men dåligt på att leda värme. En av de mest lovande kandidaterna för detta jobb är zinkoxid, en giftfri, billigt material med hög smältpunkt. Medan nanotekniker finns för att öka den elektriska ledningsförmågan hos zinkoxid, materialets höga värmeledningsförmåga är en vägspärr för dess effektivitet när det gäller att samla upp och omvandla spillvärme. Eftersom termisk och elektrisk ledningsförmåga är relaterade egenskaper, det är väldigt svårt att minska det ena utan att också minska det andra.

Dock, ett team av forskare ledd av Ganpati Ramanath, professor vid avdelningen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer, i samarbete med University of Wollongong, Australien, har visat ett nytt sätt att minska zinkoxidens värmeledningsförmåga utan att minska dess elektriska ledningsförmåga. Innovationen innebär att tillsätta små mängder aluminium till zinkoxid, och bearbetning av materialen i en mikrovågsugn. Processen är anpassad från en teknik som uppfanns på Rensselaer av Ramanath, doktorand Rutvik Mehta, och Theo Borca-Tasciuc, docent vid institutionen för mekaniska, Aerospace, och kärnteknik (MANE). Detta arbete kan öppna dörren till ny teknik för att skörda spillvärme och skapa mycket energieffektiva bilar, flygplan, kraftverk, och andra system.

"Att skörda spillvärme är ett mycket attraktivt förslag, eftersom vi kan omvandla värmen till elektricitet och använda den för att driva enheter – som i en bil eller ett jetplan – skapar det i första hand värmen. Detta skulle leda till större effektivitet i nästan allt vi gör och, i sista hand, minska vårt beroende av fossila bränslen, sa Ramanath. "Vi är de första att visa sådana gynnsamma termoelektriska egenskaper i bulkstora högtemperaturmaterial, och vi känner att vår upptäckt kommer att bana väg för nya kraftuttagsanordningar från spillvärme."

Resultaten av studien beskrivs i detalj i artikeln "Al-doped zinkoxid nanokompositer med förbättrade termoelektriska egenskaper, ” publicerad nyligen av tidskriften Nanobokstäver . Se tidningen online på:pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202439h

För att skapa det nya nanomaterialet, forskare tillsatte små mängder aluminium till formkontrollerade nanokristaller av zinkoxid, och värmde dem i en mikrovågsugn för $40. Ramanaths team kan producera flera gram av nanomaterialet på några minuter, vilket räcker för att göra en enhet som mäter några centimeter lång. Processen är billigare och mer skalbar än konventionella metoder och är miljövänlig, sa Ramanath. Till skillnad från många nanomaterial som tillverkas direkt på ett substrat eller en yta, denna nya mikrovågsmetod kan producera pellets av nanomaterial som kan appliceras på olika ytor. Dessa attribut, tillsammans med låg värmeledningsförmåga och hög elektrisk ledningsförmåga, är mycket lämpliga för värmeskördande applikationer.

"Vår upptäckt kan vara nyckeln till att övervinna stora grundläggande utmaningar relaterade till att arbeta med termoelektriska material, ” sa projektsamarbetspartner  Borca-Tasciuc. "Dessutom, vår process är mottaglig för skalning för storskalig produktion. Det är verkligen fantastiskt att några atomer av aluminium kan konspirera för att ge oss termoelektriska egenskaper som vi är intresserade av."