Burliknande föreningar som kallas klatrater kan användas för att skörda spillvärme och förvandla den till elektricitet. UC Davis kemister upptäckte precis en helt ny klass av klatrater, potentiellt öppna nya sätt att tillverka och använda dessa material.

Ett klatrat är i grunden en bur av atomer med en annan atom instängd, sa Kirill Kovnir, biträdande professor i kemi vid UC Davis, som ledde arbetet, publicerades nyligen i tidskriften Angewandte Chemie . Eftersom buren är relativt stor jämfört med atomen, den fångade atomen kan skramla runt inuti, och det betyder att klatrater leder värme mycket dåligt, han sa.

Vad de kan göra, fastän, omvandlar värme till el .

"Våra energikällor slösar bort cirka 60 procent eller mer som värme, " sa Kovnir. Till exempel, en bilmotor genererar mycket värme, nästan ingen av dem är användbar fångad.

Termoelektriska enheter som kan omvandla värme till elektricitet har använts till exempel för att driva Mars-rovers, där en radioaktiv källa avger värme som omvandlas till elektricitet för att driva rovern. Allmänt tillgänglig termoelektrik skulle kunna användas för tillämpningar från att driva en klocka med kroppsvärme till att göra fordon mer effektiva.

Klatrater av metaller och andra atomer

Clathrates har funnits länge - som en klass av material, de upptäcktes 1810 av kemisten Humphrey Davy. Klatratstrukturer baserade på vatten under tryck fångar in reserver av metan i djuphavet.

Kovnir, dock, är mer intresserad av klatrater byggda av atomer som koppar, zink och fosfor och barium som är stabila vid rumstemperatur.

Hittills, alla beskrivna klatrater har varit baserade på en tetraedrisk struktur:varje atom i buren är bunden med fyra andra atomer. Mer än 200 år efter att de upptäcktes, Kovnirs team har producerat och beskrivit stabila klatrater med atomer med fem, sex eller fler obligationer.

"Det antogs att det ramverket måste vara tetraedriskt koordinerat, " sa Kovnir. "Detta är det första fallet där de inte behöver vara, och det tyder på att många fler är möjliga."

Kemisterna försökte faktiskt undersöka stabiliteten hos klatratstrukturen när de upptäckte de nya föreningarna. För att göra fyra bindningar, varje atom behöver fyra tillgängliga elektroner. Genom att lägga till atomer med fler elektroner (som zink) förväntade sig Kovnir att kunna bryta klatratstrukturen. Istället, de fann att de kunde producera helt nya, stabila strukturer, inklusive en med en bur av zink, koppar- och fosforatomer som fångar en bariumatom. Den nya strukturen visades på omslaget till tidskriften Angewandte Chemie, med en tillhörande forskningshöjdpunkt.

Nästa steg är att optimera de termoelektriska egenskaperna hos de nya materialen och se om de kan justera dem för bästa prestanda, sa Kovnir.