Boulderforskare vid University of Colorado har hittat ett kreativt sätt att radikalt förbättra termoelektriska material, ett fynd som en dag kan leda till utvecklingen av förbättrade solpaneler, mer energieffektiv kylutrustning, och till och med skapandet av nya enheter som kan förvandla de stora mängder värme som slösas bort vid kraftverk till mer el.

Tekniken-att bygga en rad små pelare ovanpå ett ark av termoelektriskt material-representerar ett helt nytt sätt att angripa ett hundraårigt problem, sa Mahmoud Hussein, en biträdande professor i rymdteknikvetenskap som var banbrytande för upptäckten.

Den termoelektriska effekten, först upptäcktes på 1800 -talet, avser förmågan att generera en elektrisk ström från en temperaturskillnad mellan ena sidan av ett material och den andra. Omvänt, applicering av en elektrisk spänning på ett termoelektriskt material kan orsaka att ena sidan av materialet värms upp medan den andra förblir sval, eller, alternativt, ena sidan för att svalna medan den andra håller sig varm.

Enheter som innehåller termoelektriska material har använts på båda sätten:att skapa el från en värmekälla, som solen, till exempel, eller för att kyla precisionsinstrument genom att förbruka el.

Dock, den utbredda användningen av termoelektriska material har hindrats av ett grundläggande problem som har hållit forskare upptagen i årtionden. Material som låter elektricitet flöda genom dem tillåter också värme att flöda genom dem. Detta innebär att en temperaturskillnad samtidigt skapar en elektrisk potential, själva temperaturskillnaden börjar försvinna, försvagar strömmen den skapade.

Fram till 1990 -talet, forskare tog itu med detta problem genom att leta efter material med inneboende egenskaper som tillät el att flöda lättare än värme.

"Fram till för 20 år sedan, människor tittade på materialets kemi, "Sade Hussein." Och sedan kom nanoteknik in i bilden och tillät forskare att konstruera materialet för de egenskaper de ville ha. "

Med hjälp av nanoteknik, materialfysiker började skapa barriärer i termoelektriska material - till exempel hål eller partiklar - som hindrade värmeflödet mer än flödet av elektricitet. Men även under det bästa scenariot, flödet av elektroner - som bär elektrisk energi - bromsades också.

I en ny studie publicerad i tidskriften Fysiska granskningsbrev , Hussein och doktoranden Bruce Davis visar att nanoteknik kan användas på ett helt annat sätt för att bromsa värmeöverföringen utan att påverka elektronernas rörelse.

Det nya konceptet innebär att man bygger en rad nanoskala pelare ovanpå ett ark av ett termoelektriskt material, som kisel, att bilda vad författarna kallar ett "nanofononiskt metamaterial". Värme transporteras genom materialet som en serie vibrationer, känd som fononer. Atomerna i miniatyrpelarna vibrerar också vid olika frekvenser. Davis och Hussein använde en datormodell för att visa att pelarnas vibrationer skulle interagera med fononernas vibrationer, bromsar värmeflödet. Pelarens vibrationer förväntas inte påverka den elektriska strömmen.

Teamet uppskattar att deras nanoskala pelare kan minska värmeflödet genom ett material till hälften, men minskningen kan vara betydligt starkare eftersom beräkningarna gjordes mycket konservativt, Sa Hussein.

"Om vi ​​kan förbättra termoelektrisk energiomvandling avsevärt, det kommer att finnas alla slags viktiga praktiska tillämpningar, "Hussein sade. Dessa inkluderar återtagande av spillvärme som släpps ut från olika typer av utrustning - från bärbara datorer till bilar till kraftverk - och förvandla den värmen till el. Bättre termoelektrisk kan också avsevärt förbättra effektiviteten hos solpaneler och kylanordningar.

Nästa steg är att Hussein samarbetar med kollegor på fysikavdelningen och andra institutioner för att tillverka pelarna så att idén kan testas i labbet. "Detta är fortfarande tidigt i fasen av laboratoriedemonstration men de återstående stegen är inom räckhåll."

Hussein hoppas också kunna förfina modellerna som han använde för att få ytterligare inblick i den bakomliggande fysiken. "Ett team med mycket motiverade doktorander arbetar med mig dygnet runt i detta projekt, " han sa.