Ingenjörsforskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en ny metod för att skapa avancerade nanomaterial som kan leda till mycket effektiva kylskåp och kylsystem som inte kräver några köldmedier och inga rörliga delar. De viktigaste ingredienserna för denna innovation är en skvätt nanoskala svavel och en normal, daglig mikrovågsugn.

Kärnan i dessa solid-state kylsystem är termoelektriska material, som kan omvandla elektricitet till olika temperaturer - från varmt till kallt. Termoelektriska kylskåp som använder dessa principer har funnits i mer än 20 år, men de är fortfarande små och mycket ineffektiva. Detta beror till stor del på att materialen som används i nuvarande termoelektriska kylanordningar är dyra och svåra att tillverka i stora mängder, och har inte den nödvändiga kombinationen av termiska och elektriska egenskaper. En ny studie, publiceras idag i tidningen Naturmaterial , övervinner dessa utmaningar och öppnar dörren till en ny generation högpresterande, kostnadseffektiv solid state-kylning och luftkonditionering.

Rensselaer professor Ganpati Ramanath ledde studien, i samarbete med kollegorna Theodorian Borca-Tasciuc och Richard W. Siegel.

Att driva detta forskningsgenombrott är tanken på att avsiktligt förorena, eller dopning, nanostrukturerade termoelektriska material med knappt mängder svavel. De dopade materialen erhålls genom att tillaga materialet och dopmedlet tillsammans i några minuter i en mikrovågsugn som köpts för 40 dollar. Det resulterande pulvret formas till pellets i ärtstorlek genom att applicera värme och tryck på ett sätt som bevarar de egenskaper som nanostruktureringen och dopningen ger. Dessa pellets uppvisar egenskaper bättre än de svårtillverkade termoelektriska materialen som för närvarande finns på marknaden. Dessutom, denna nya metod för att skapa de dopade pellets är mycket snabbare, lättare, och billigare än konventionella metoder för tillverkning av termoelektriska material.

"Detta är inte en engångsupptäckt. Snarare vi har utvecklat och visat ett nytt sätt att skapa en helt ny klass av dopade termoelektriska material med överlägsna egenskaper, "sade Ramanath, en fakultetsmedlem vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer. "Våra fynd har verkligen potential att förändra kyllandskapets teknologilandskap och få en verklig inverkan på våra liv."

Att försöka konstruera termoelektriska material är ungefär som att spela en omgång "dragkamp, "Sade Ramanath. Forskare strävar efter att kontrollera tre separata egenskaper hos materialet:elektrisk konduktivitet, värmeledningsförmåga, och Seebeck -koefficienten. Manipulera en av dessa egenskaper, dock, påverkar nödvändigtvis de andra två. Denna nya studie visar ett nytt sätt att minimera beroende av dessa tre egenskaper genom att kombinera dopning och nanostrukturering i välkända termoelektriska material som tellurider och selenider baserade på vismut och antimon.

Målet med att finjustera dessa tre egenskaper är att skapa ett termoelektriskt material med hög förtjänst, eller ZT, vilket är ett mått på hur effektivt materialet är för att omvandla värme till el. De nya pellets av nanomaterial i ärtstorlek som utvecklats av Rensselaer-teamet visade en ZT på 1 till 1,1 vid rumstemperatur. Eftersom så höga värden uppnås även utan att optimera processen, forskarna är övertygade om att högre ZT kan uppnås med lite smart teknik.

"Det är verkligen fantastiskt hur nanostrukturer kryddat med bara några atomer av svavel kan leda till så överlägsna termoelektriska egenskaper hos bulkmaterialet från nanostrukturerna, och låter oss dra nytta av nanostrukturering på ett makroskala, "Sa Ramanath.

En viktig aspekt av upptäckten är förmågan att göra både p-typ (positiv laddning) och n-typ (negativ laddning) termoelektriska nanomaterial med hög ZT. Ända tills nu, forskare runt om i världen har bara kunnat tillverka stora mängder p-material med hög ZT.

Dessutom, den nya studien visar att Rensselaers forskargrupp kan göra satser på 10 till 15 gram (tillräckligt för att göra flera ärtor i storlekarna) av det dopade nanomaterialet på två till tre minuter med en mikrovågsugn. Större mängder kan produceras med hjälp av mikrovågsugnar i industriell storlek.

"Vår förmåga att skalbart och billigt producera både p- och n-typmaterial med en hög ZT banar väg för tillverkning av högeffektiva kylanordningar, liksom termoelektriska anordningar för solid-state för avverkning av spillvärme eller solvärme till elektricitet, "sa Borca-Tasciuc, professor vid institutionen för mekanik, Aerospace, och kärnteknik på Rensselaer.

"Detta är en mycket spännande upptäckt eftersom den kombinerar förverkligandet av nya och användbara termoelektriska egenskaper med en demonstrerad bearbetningsväg fram till industriella applikationer, "sa Siegel, Robert W. Hunt -professor i materialvetenskap och teknik vid Rensselaer.

Rensselaer doktorand Rutvik J. Mehta utförde detta arbete för sin doktorsavhandling. Mehta, Ramanath, och Borca-Tasciuc har inlämnat patent och bildat ett nytt företag, ThermoAura Inc., att vidareutveckla och marknadsföra den nya termoelektriska materialtekniken. Mehta har sedan dess tagit examen och är nu postdoktor på Rensselaer. Han fungerar också som ordförande för ThermoAura.

Utöver kylskåp och luftkonditionering, forskarna föreställer sig att denna teknik en dag kan användas för att kyla datorchips.

Tillsammans med Ramanath, Borca-Tasciuc, Siegel, och Mehta, medförfattare till uppsatsen är Rensselaer doktorander Yanliang Zhang, Chinnathambi Karthik, och Binay Singh.