Termoelektriska enheter - som antingen kan generera en elektrisk ström från en temperaturskillnad eller använda elektricitet för att producera värme eller kyla utan rörliga delar - har utforskats i laboratoriet sedan 1800-talet. På senare år har deras effektivitet har förbättrats tillräckligt för att möjliggöra begränsad kommersiell användning, såsom i kylsystem inbyggda i bilsätena. Men mer utbredd användning, för att tillvarata spillvärme från kraftverk och motorer, kräver bättre material.

Nu, ett nytt sätt att förbättra effektiviteten hos sådana enheter, utvecklad av forskare vid MIT och Rutgers University, skulle kunna leda till sådana bredare tillämpningar. Det nya verket, av maskinteknikprofessor Gang Chen, Institutet professor Mildred Dresselhaus, doktorand Bolin Liao, och nyligen postdoc Mona Zebarjadi och forskaren Keivan Esfarjani (som båda nu är på fakulteten vid Rutgers), har publicerats i tidskriften Avancerade material .

Även om termoelektriska enheter har varit tillgängliga kommersiellt sedan 1950-talet, deras effektivitet har varit låg på grund av materialbegränsningar. En nyare drivkraft för termoelektriska system går till början av 1990-talet, när Dresselhaus arbetade med ett projekt, finansierat av den amerikanska flottan, att förbättra termoelektriska material för tysta kylsystem för ubåtar. Chen, som då arbetade med värmeisolerande egenskaper hos nanostrukturer, samarbetade med henne för att utveckla termoelektriska material.

Gruppens upptäckt att material i nanoskala kan ha egenskaper som skiljer sig väsentligt från de hos större bitar av samma material - arbete som involverade små partiklar av ett material inbäddade i ett annat, bildande av nanokompositer – hjälpte till slut att förbättra termoelektriska enheters effektivitet. Det senaste arbetet fortsätter att forskning, justera kompositionen, dimensioner och densitet av de inbäddade nanopartiklarna för att maximera materialets termoelektriska egenskaper.

Detaljerad datormodellering av det nya materialet visar att det kan förbättra parametrarna som är nyckeln till ett effektivt termoelektriskt system:hög elektrisk konduktivitet (så att elektricitet flyter lätt), låg värmeledningsförmåga (för att upprätthålla en temperaturgradient), och optimering av en egenskap som kallas Seebeck-koefficienten, som uttrycker hur mycket värme en elektron bär, i genomsnitt.

Det nya arbetet bygger också på metoder som utvecklats av optikforskare som har försökt skapa osynlighetskappor – sätt att göra objekt osynliga för vissa radiovågor eller ljusvågor med hjälp av nanostrukturerade material som böjer ljus. MIT-teamet tillämpade liknande metoder för att bädda in partiklar som kunde minska materialets värmeledningsförmåga samtidigt som dess elektriska ledningsförmåga hölls hög.

"Det är ungefär som en mantel för elektroner, Dresselhaus säger. "Vi har fått inspiration från de optiska människorna."

Konceptet som gjorde förbättringarna genomförbara, forskarna förklarar, är något som kallas antiresonans – vilket gör att elektroner med de flesta energinivåer blockeras av de inbäddade partiklarna, medan de i ett snävt energiområde passerar med lite motstånd.

Liao och Zebarjadi, som utförde detta arbete som postdoc vid MIT, tänkt att göra nanopartiklarna osynliga för flödet av elektroner med hjälp av denna antiresonansprincip. Genom att justera storleken på nanopartiklarna, forskarna gjorde dem osynliga för elektronerna, men inte fononerna – de virtuella partiklarna som bär värme.

Dessutom, de fann att de inbäddade nanopartiklarna faktiskt förbättrade flödet av elektroner. "Vi kan öka den elektriska ledningsförmågan avsevärt, " säger Zebarjadi.

Den grundläggande effekten hade observerats tidigare, hon säger, men bara i gaser, inte fasta ämnen. "När vi såg det, vi sa, det skulle vara trevligt om vi kunde ha en sådan spridning [av elektroner] i fasta ämnen, " Zebarjadi säger - ett resultat som hon och hennes kollegor till slut kunde uppnå.

Tekniken är inspirerad av ett koncept som kallas moduleringsdoping, som används vid tillverkning av halvledarenheter. Än så länge, arbetet har varit teoretiskt. Nästa steg blir att bygga faktiska testenheter, säger teammedlemmarna. "Det finns många utmaningar på den experimentella sidan, " säger Chen.

Joseph Heremans, professor i fysik vid Ohio State University, kallar verket "fantastiska Harry Potter-grejer, men ändå trovärdigt ... riktigt nytt, och helt överraskande." han noterar att effekten är begränsad till ett smalt område av elektronenergi, och kommer att kräva finjustering för att få rätt energinivå. "Detta kan visa sig omöjligt att uppnå i labbet, vi vet bara inte förrän någon försöker, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.