En av fysikernas drömmar idag är att kunna ta tillbaka elektriciteten från avledd värme. Nyckeln till detta ligger förmodligen i kretsar som innehåller enstaka molekyler. Istället för att begränsas till klassisk konduktans, termokraften kan förstärkas dramatiskt av egenskaperna hos kvanttillstånd. Men då, vilka kvanttillstånd ger bra effektivitet? Vilka egenskaper är önskvärda? Teori erbjuder ofta kontrasterande förutsägelser. Tyvärr, experiment har inte heller ännu gett några bevis, eftersom de är notoriskt svåra att sätta upp. Men nu, forskare vid Delfts tekniska universitet (TU Delft) i samarbete med UC Louvain, Oxfords universitet, Northwestern University och Heriot-Watt University har gjort just det. De undersökte experimentellt de gate- och förspänningsberoende termoelektriska egenskaperna hos en enda molekyl för allra första gången. Resultaten har publicerats i Naturens nanoteknik .

Att bemästra termoströmmen genom enstaka molekyler är nyckeln till skördare av termoelektrisk energi med oöverträffad effektivitet. Detta är bara sant i teorin, fastän, för att detaljerade experimentella tester helt enkelt inte var möjliga förrän nu:att studera de termoelektriska egenskaperna hos en enskild molekyl är en svår uppgift som kräver möjligheten att exakt värma upp ena sidan av en enda molekyl samtidigt som den håller den andra sidan kall. Det kräver också förmågan att noggrant mäta de resulterande minimala termoelektriska strömmarna, som endast är några få fA-pA i storlek. Vidare, inställning av experimentella parametrar som temperaturförspänningen som tillämpas på den enstaka molekylen och kontroll av dess elektrokemiska potential är avgörande för en grundlig förståelse av den underliggande fysiken för termoelektricitet i sådana atomstora objekt.

Långt hållna antaganden

I en ny tidning, forskare vid TU Delft uppnår ett så utmanande experiment. De använder en ny metod som låter dem studera de elektriska och termoelektriska egenskaperna hos en enda molekyl samtidigt, och över en stor grind och förspänningsregim.

"Våra experiment avslöjar - för första gången - rollen av interna frihetsgrader, som molekylära vibrationer eller spinnentropi, på termoelektriska egenskaper, " säger tidigare TU Delft-forskaren och biträdande professor vid UC Louvain Pascal Gehring. "Genom att komma åt den termoelektriska responsfunktionen, vi får full insikt i enstaka molekylers transmissionsfunktion, och därmed verifiera långvariga antaganden om samspelet mellan elektroniska, spinn och vibrationsgrader av frihet i molekylär elektronik."

Syntetiska riktningar

Mätningarna är de första i sitt slag. De avslöjar olika bidrag från olika stater, och visa vikten av elektron-vibrationskoppling och spinentropi. Gehring:"Vi validerar alltså teorier om vilka faktorer som påverkar de termoelektriska egenskaperna mest avgörande, och ange de syntetiska riktningarna för att påverka omvandlingen av värme till energi i enstaka molekyler."

Resultaten ger också den första realistiska implementeringen av en molekylär design. Forskarna fann att det termoelektriska svaret hos en enskild molekyl påverkas starkt av dess entropi, eller med andra ord, dess oordningstillstånd. Om entropin hos molekylen förändras mycket när man lägger till en extra elektron till den (eftersom, t.ex. dess spinngrad av frihet ändras), en förbättrad termoelektrisk effektfaktor kan erhållas. Således, Att konstruera enstaka molekyler med höga rumsliga eller spinntropier skulle vara ett lovande nytt sätt att designa framtida termoelektriska kraftgeneratorer för energiskördstillämpningar.