Silvija Gradečak har stora intentioner för små ingredienser. Docenten i materialvetenskap och teknik vid MIT fokuserar på energiomvandling och ljusskörd genom användning av nanomaterial. Det är på dessa mikroskopiska skalor som hon kan anpassa enskilda komponenter, smält ihop delarna, och skapa en ny typ av material.
Arbetet är inte utan sina utmaningar:Det finns ett behov av att förstå och noggrant balansera delar på atomär skala och sedan kunna ta upptäckter som gjorts i labbet och tillämpa dem på en större arbetsyta.
Men det finns också stora möjligheter:Hennes solceller skulle kunna absorbera och använda mer solljus. Hennes glödlampor kunde hålla längre, och hennes termoelektriska enheter kunde ta värme som annars skulle gå förlorad och förvandla den till energi. "Vi letar efter mer effektiva, mer miljövänlig, och billigare teknik med nya möjligheter, " säger Gradečak.
Arbeta i slutna utrymmen
En fördel med att använda nanomaterial är deras skala, säger Gradečak. De begränsade dimensionerna är idealiska för att skräddarsy egenskaperna hos elektroner, fotoner, och protoner, ger möjlighet att konstruera enskilda komponenter i nanoskala och, använda syntesmetoder, kontrollera deras egenskaper och prestanda. Till exempel, genom att ändra storleken och sammansättningen av nanomaterial, Gradečak kan ändra en halvledares energibandgap, gör att fotoner av olika energier kan absorberas i en ny typ av solcell.
Forskningen är i ett tidigt skede, men Gradečak säger att potentialen finns för olika ljusskördande tillämpningar, speciellt när det gäller effektivitet. Som det står, inom en timme, Jorden får tillräckligt med solljus för att ge ett års energi. Problemet är att endast en del av solljuset används med nuvarande solteknik.
Gradečaks celler kunde anpassas för att absorbera olika våglängder och består av flera typer av nanomaterial - nanotrådar, nanopartiklar, och grafen – som var och en har en specifik funktion i den nya typen av solceller. Enheterna skulle kunna placeras på byggnader och andra ytor för att ta hänsyn till behoven för både en specifik applikation och en given geografisk plats. Lägg till det, de nya solcellerna är flexibla, lättvikt, och genomskinliga – celler skulle inte vara begränsade i sin placering, men nu kan användas på böjda och rörliga ytor, som bilar och kläder. "Att skörda solljus skulle bli en fråga om bekvämlighet, " hon säger.
Leker med färger
Ett annat av hennes projekt fokuserar på att utveckla lysdioder:Nuvarande källor för artificiellt ljus skulle kunna pågå längre och vara mer effektiva. Som Gradečak säger, de genererar mer värme än ljus. Glödlampor baserade på halvledande dioder finns och de är redan mer effektiva, men de är också dyrare. Nanotrådar kan hålla lösningen. De kan odlas på en mängd olika substrat, och därmed sänka kostnaderna, och de innehåller inte de defekter som är inneboende i dagens teknik.
Utmaningen med att tillverka ljuskällor är att producera samma färger och intensiteter som solen, och göra dessa bekväma för det mänskliga ögat. I Gradečaks labb, hon designar en enhet som kan avge greener, blues, och röda i olika förhållanden. Med nanoteknik, hon kan ställa in bandgapet på materialen och följaktligen ändra våglängden. Samtidigt, hon arbetar med teknik som producerar blått ljus som omvandlas till rött och grönt i olika proportioner med användning av fosformaterial, som absorberar blått ljus och återsänder det i en annan färg.
Den överliggande utmaningen med att göra en framgångsrik övergång är att förstå nanokomponenterna och få dem att fungera tillsammans. Gradečak har utvecklat en karakteriseringsteknik som kan avgöra hur förändring av nanomaterialens sammansättning och morfologi förändrar de optiska egenskaperna. Eller, som hon säger, "Vilka rattar behöver vi ställa in under syntesen för att få specifik funktionalitet?"
Tillsammans med det, Gradečak tittar på sätt att förbättra flexibiliteten och effektiviteten hos solceller, speciellt genom genomskinliga elektroder. Det är här hennes användning av grafen spelar en nyckelroll. För närvarande, indiumtennoxid är industristandarden, men det är dyrt. Grafen har ett lager av kolatomer, samt den nödvändiga konduktiviteten och flexibiliteten. Frågan som Gradečak fortsätter att utforska är hur man avsätter material på grafen för att få dem att mötas och producera en fungerande solcell.
Reglera temperaturen
Ett av hennes andra projekt handlar om att utveckla en termoelektrisk apparat. I likhet med en solcell, detta skulle utnyttja termisk energi och omvandla den till elektricitet. Till exempel, en bils motor genererar en hög temperatur, men det mesta av den energin går till spillo. Hennes förhoppning är att fånga den värmen och i slutändan använda den för att driva fordonets elektriska system. Tog ett steg längre, solceller kan placeras på samma bil för att värma eller kyla den. "Det är en utveckling som ligger långt in i framtiden, men en som skulle öppna nya sätt för hur vi tänker kring energi, " säger Gradečak.
Med allt hennes arbete, en viktig aspekt är att bemästra frågan om skala. Hon arbetar med atomer av olika material. Var och en kan anpassas, men att leka med en kan påverka andra på otaliga sätt. Den korrekta interaktionen och balansen kan hittas, men det är bara en del av ekvationen. Nästa och nödvändiga steg i processen är att ta ett fynd i labbet som fungerar på 1 kvadrattum och översätta det till verkligheten, praktisk, industribehövlig storlek, allt samtidigt som kvaliteten och effektiviteten bevaras.
"Nanomaterial erbjuder spännande möjligheter, och att förstå hur man översätter deras egenskaper till den makroskopiska skalan har nyckeln till skalbarhet och nya energitillämpningar som för närvarande inte existerar, " säger Gradečak.
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.
