Hur håller du världens minsta läsk kall? UCLA-forskare kan ha svaret.

Ett team ledd av UCLA fysikprofessor Chris Regan har lyckats skapa termoelektriska kylare som bara är 100 nanometer tjocka – ungefär en tiomiljondels meter – och har utvecklat en innovativ ny teknik för att mäta deras kylprestanda.

"Vi har gjort världens minsta kylskåp, sa Regan, huvudförfattaren till en artikel om forskningen som nyligen publicerades i tidskriften ACS Nano .

För att vara tydlig, dessa små enheter är inte kylskåp i daglig bemärkelse – det finns inga dörrar eller skarpare lådor. Men i större skala, samma teknik används för att kyla datorer och andra elektroniska enheter, för att reglera temperaturen i fiberoptiska nätverk, och för att minska bildbruset i avancerade teleskop och digitalkameror.

Vad är termoelektriska enheter och hur fungerar de?

Tillverkad genom att lägga två olika halvledare mellan metalliserade plattor, dessa enheter fungerar på två sätt. När värme appliceras, ena sidan blir varm och den andra förblir sval; att temperaturskillnaden kan användas för att generera el. De vetenskapliga instrumenten på NASA:s rymdfarkost Voyager, till exempel, har drivits i 40 år av elektricitet från termoelektriska enheter lindade runt värmeproducerande plutonium. I framtiden, liknande enheter kan användas för att fånga upp värme från bilens avgaser för att driva dess luftkonditionering.

Men den processen kan också köras omvänt. När en elektrisk ström appliceras på enheten, ena sidan blir varm och den andra kall, så att den kan fungera som kylare eller kylskåp. Denna uppskalade teknik kan en dag ersätta ångkompressionssystemet i ditt kylskåp och hålla din verkliga läsk frostig.

Vad UCLA-teamet gjorde

För att skapa sina termoelektriska kylare, Regans team, som inkluderade sex UCLA-studenter, använde två standardhalvledarmaterial:vismuttellurid och antimon-vismuttellurid. De fäste vanlig Scotch-tejp på stycken av konventionella bulkmaterial, skalade av det och skördade sedan tunt, enkelcystalflagor från materialet som fortfarande har fastnat på tejpen. Från dessa flingor, de gjorde funktionella enheter som bara är 100 nanometer tjocka och har en total aktiv volym på cirka 1 kubikmikrometer, osynlig för blotta ögat.

För att sätta denna lilla volym i perspektiv:Dina naglar växer med tusentals kubikmikrometer varje sekund. Om dina nagelband tillverkade dessa små kylare istället för fingernaglar, varje finger skulle köra ut mer än 5, 000 enheter per sekund.

"Vi slog rekordet för världens minsta termoelektriska kylare med en faktor på mer än tio tusen, sa Xin Yi Ling, en av tidningens författare och en före detta student i Regans forskargrupp.

Medan termoelektriska enheter har använts i nischapplikationer på grund av fördelar som deras ringa storlek, deras brist på rörliga delar och deras tillförlitlighet, deras låga effektivitet jämfört med konventionella kompressionsbaserade system har förhindrat en utbredd användning av tekniken. Enkelt uttryckt, i större skala, termoelektriska enheter genererar inte tillräckligt med el, eller förbli tillräckligt kall – ännu.

Men genom att fokusera på nanostrukturer – enheter med minst en dimension i intervallet 1 till 100 nanometer – hoppas Regan och hans team upptäcka nya sätt att syntetisera bulkmaterial med bättre prestanda. De eftertraktade egenskaperna för material i högpresterande termoelektriska kylare är god elektrisk ledningsförmåga och dålig värmeledningsförmåga, men dessa egenskaper utesluter nästan alltid varandra. Dock, en vinnande kombination kan hittas i nästan tvådimensionella strukturer som de som Regans team har skapat.

En ytterligare utmärkande egenskap hos teamets "kylskåp" i nanoskala är att det kan svara nästan omedelbart.

"Dess ringa storlek gör den miljontals gånger snabbare än ett kylskåp som har en volym på en millimeter i kub, och det skulle redan vara miljontals gånger snabbare än kylskåpet du har i ditt kök, " sa Regan.

"När vi förstår hur termoelektriska kylare fungerar på atomär och nära atomär nivå, " han sa, "vi kan skala upp till makroskalan, där den stora vinsten är."

Mäter hur kalla enheterna blir

Att mäta temperatur i sådana små enheter är en utmaning. Optiska termometrar har dålig upplösning i så små skalor, medan scanningsprobtekniker kräver specialiserade, dyr utrustning. Båda metoderna kräver noggranna kalibreringar.

År 2015, Regans forskargrupp utvecklade en termometriteknik som heter PEET, eller plasmonenergiexpansionstermometri, som använder ett transmissionselektronmikroskop för att bestämma temperaturer på nanoskala genom att mäta förändringar i densitet.

För att mäta temperaturen på deras termoelektriska kylare, forskarna deponerade nanopartiklar gjorda av grundämnet indium på var och en och valde ut en specifik partikel som deras termometer. När teamet varierade mängden ström som tillfördes kylarna, enheterna uppvärmda och kylda, och indiumet expanderade och drogs ihop på motsvarande sätt. Genom att mäta indiums densitet, forskarna kunde bestämma den exakta temperaturen på nanopartikeln och därmed kylaren.

"PEET har den rumsliga upplösningen för att kartlägga termiska gradienter på få nanometerskalan - en nästan outforskad regim för nanostrukturerade termoelektriska material, sa Regan, som är medlem i California NanoSystems Institute vid UCLA.

För att komplettera PEET-måtten, forskarna uppfann en teknik som kallas kondensationstermometri. Grundidén är enkel:När normal luft svalnar till en viss temperatur – daggpunkten – kondenserar vattenånga i luften till vätskedroppar, antingen dagg eller regn. Teamet utnyttjade denna effekt genom att driva sin enhet medan de tittade på den med ett optiskt mikroskop. När enheten nådde daggpunkten, små daggdroppar bildades omedelbart på dess yta.

Regan berömde sina forskarstudenters arbete med att hjälpa till att utveckla och mäta prestanda för enheter i nanoskala.

"Att koppla avancerad materialvetenskap och elektronmikroskopi till fysik i vardagliga områden, som kylning och daggbildning, hjälper eleverna att få grepp om problemen mycket snabbt, "Sade Regan. "Att se dem lära sig och förnya ger mig mycket hopp för framtiden för termoelektrik."