Bruce White arbetade med halvledare och transistorer på Motorola och Texas Instruments. Men när han lämnade industrin för en tjänst på Binghamton Universitys fakultet, materialvetaren bestämde sig för att ta sin forskning i en ny riktning. "Jag ville inte bara fortsätta arbeta med transistorer och minne, White säger. "Jag ville försöka tillämpa dessa verktyg på stora problem som påverkar samhället."
Energi är ett av de stora problemen; i USA, mer än hälften av den energi vi förbränner varje år går förlorad som värme istället för att användas.
"Vi gör allt det här arbetet för att få olja ur marken och för att förädla den, men när vi försöker jobba med det, det mesta av energin går ut genom avgasröret på en bil eller ut genom skorstenen på ett kraftverk, White säger. "Även om vi kunde återta en liten bråkdel av det vi slänger som värme, som skulle ha en betydande inverkan på vår energianvändning."
Det finns sätt att förvandla värme till el. Om ett material är varmt på ena sidan och kallt på den andra, värmeflödet från varmt till kallt kan omvandlas till elektricitet. Men de flesta av de termoelektriska materialen på marknaden idag är inte särskilt bra på att göra det. Den knepiga delen, White säger, får värmen att strömma genom materialet på baksidan av elektroner. I de flesta material, värmen flyter i en våg som helt enkelt får materialets atomer att vibrera snabbare. Det är inget användbart fenomen, och det slutar med att det förstör den viktiga varm-kall-differentialen. I många material, atomernas vibrationer bär bort 90 procent av värmen innan den kan utnyttjas.
Whites mål är att skapa material där vibrationseffekterna minimeras – eller, med andra ord, där en större andel av värmen transporteras av elektroner, skapa ett flöde av el. Han tycker också att det är viktigt att se till att dessa material är rikliga och giftfria.
White kan ha hittat en kandidat i zinkoxid, ett ämne som används i många märken av solskyddsmedel. Zinkoxid är rikligt, billigt och säkert, och den råkar vara riktigt bra på att flytta runt elektroner. Tyvärr, i sitt normala tillstånd, zinkoxid har en molekylstruktur som transporterar värme genom att vibrera atomer istället för att omvandla den till elektricitet.
Genom att manipulera zinkoxid på molekylär nivå, White och hans kollegor kan bli bättre på att generera el. Först, de sträcker ut materialet till trådar som mäter 50 nanometer i diameter. (Det är ungefär 10, 000 gånger tunnare än ett människohår.) Den där otroliga tunnheten förändrar hur värme sprids genom materialet. Nästa, de bäddar in nanotrådarna i en kiseldioxidaerogel, ett ämne som är dåligt på att leda värme. På grund av de intressanta och unika interaktioner som sker i mycket små skalor, nanotrådar kan anta egenskaperna hos omgivande material. I detta fall, ledningarna blev mycket dåliga värmeledare. Deras förmåga att leda värme genom atomvibrationer minskade med en faktor 10, så deras effektivitet när det gäller att omvandla värme till elektricitet ökade. Resultaten publicerades i april 2013 i Bokstäver i tillämpad fysik , den bästa tidskriften på området.
Det som är särskilt spännande med denna upptäckt, White säger, är att materialen i trådarna och aerogelen kan blandas och matchas för att skräddarsy de termoelektriska egenskaperna för olika applikationer – som att utnyttja spillvärme från ett kraftverk, bil eller hushållsugn. Eftersom aerogeler är nästan genomskinliga, White föreställer sig till och med att göra fönsterbeläggningar som utnyttjar temperaturskillnader inomhus kontra utomhus för att generera elektricitet.
Med rätt material, det kan vara möjligt att helt eliminera förbränningsmotorn. White och hans labbmedlemmar tror att de kan ha ett sätt att göra det. Allt handlar om kisel, vilket är en utmärkt halvledare – det är därför våra elektroniska enheter är kiselbaserade – men är också riktigt bra på att leda värme via atomvibrationer. Whites grupp blir av med dessa vibrationer genom att bygga en kisel-tennkomposit med en ny tillverkningsteknik som växer materialet lager för lager.
Arbetet uppmärksammades av Naval Research Office, som ger finansiering till Whites forskning. "Det är hans tillverkningsmetod som verkligen gör det annorlunda, säger Robert Walters, chef för Sjöforskningslaboratoriets Solid State Devices Branch. "Bruce har utvecklat tillverkningstekniken som vi tror faktiskt kommer att uppnå den skiktade silikon-tennstrukturen, som vi tror att vi verkligen behöver för att koppla bort kiselets termiska och elektriska egenskaper. … Det är en mycket bra idé. Det är innovativt och det skiljer sig från andra saker som vi har sett."
Det nya kompositmaterialet har en värmeledningsförmåga som är 1, 000 gånger lägre än vanlig kisel. Gruppen hoppas kunna göra den tre gånger lägre genom att göra kristallen renare och mer jämnt mönstrad. Om värmeledningsförmågan blir så låg, materialet skulle vara så bra på att förvandla värme till elektricitet att det skulle kunna driva en bil med en låga.
Det är långt borta i framtiden, fastän. När de arbetar med att förfina de material de redan har utvecklat, Whites grupp är på randen av att skapa mindre extrema material som fortfarande kan ha stor inverkan. Värmeavlastande material, som skulle kunna eftermonteras på en bils avgasrör eller kylare, skulle snart kunna generera tillräckligt med el för att driva bilens elektronik. "Enbart det kan öka bränsleeffektiviteten med några miles per gallon, " säger White. "När du tänker på att integrera den över hela bilparken, det gör en enorm skillnad."
