Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     Siemens  n-tv 
Datenbankrecherche:

Fachgebiet (optional):

 

Nature Materials: Quick-cooking nanomaterials in microwave to make tomorrow's air conditioners

11.01.2012
Engineers at Rensselaer Polytechnic Institute Develop New Method for Creating Better Thermoelectric Materials in Large Batches

Anzeige

Engineering researchers at Rensselaer Polytechnic Institute have developed a new method for creating advanced nanomaterials that could lead to highly efficient refrigerators and cooling systems requiring no refrigerants and no moving parts. The key ingredients for this innovation are a dash of nanoscale sulfur and a normal, everyday microwave oven.


At the heart of these solid-state cooling systems are thermoelectric materials, which can convert electricity into a range of different temperatures—from hot to cold. Thermoelectric refrigerators employing these principles have been available for more than 20 years, but they are still small and highly inefficient. This is largely because the materials used in current thermoelectric cooling devices are expensive and difficult to make in large quantities, and do not have the necessary combination of thermal and electrical properties. A new study, published today in the journal Nature Materials, overcomes these challenges and opens the door to a new generation of high-performance, cost-effective solid state refrigeration and air conditioning.

Rensselaer Professor Ganpati Ramanath led the study, in collaboration with colleagues Theodorian Borca-Tasciuc and Richard W. Siegel.

See a video of Ramanath explaining the study at: http://www.youtube.com/user/rpirensselaer?feature=mhee#p/u/12/hgmBwg3FeS4

Driving this research breakthrough is the idea of intentionally contaminating, or doping, nanostructured thermoelectric materials with barely-there amounts of sulfur. The doped materials are obtained by cooking the material and the dopant together for few minutes in a store-bought $40 microwave oven. The resulting powder is formed into pea-sized pellets by applying heat and pressure in a way that preserves the properties endowed by the nanostructuring and the doping. These pellets exhibit properties better than the hard-to-make thermoelectric materials currently available in the marketplace. Additionally, this new method for creating the doped pellets is much faster, easier, and cheaper than conventional methods of making thermoelectric materials.

“This is not a one-off discovery. Rather, we have developed and demonstrated a new way to create a whole new class of doped thermoelectric materials with superior properties,” said Ramanath, a faculty member in the Department of Materials Science and Engineering at Rensselaer. “Our findings truly hold the potential to transform the technology landscape of refrigeration and make a real impact on our lives.”

Results of the study are detailed in the Nature Materials paper “A new class of doped nanobulk high figure of merit thermoelectrics by scalable bottom-up assembly.” See the paper online at: http://dx.doi.org/10.1038/NMAT3213

Trying to engineer thermoelectric materials is somewhat like playing a game of “tug of war,” Ramanath said. Researchers endeavor to control three separate properties of the material: electrical conductivity, thermal conductivity, and Seebeck coefficient. Manipulating one of these properties, however, necessarily affects the other two. This new study demonstrates a new way to minimize the interdependence of these three properties by combining doping and nanostructuring in well-known thermoelectric materials such as tellurides and selenides based on bismuth and antimony.

The goal of tweaking these three properties is to create a thermoelectric material with a high figure of merit, or ZT, which is a measure of how efficient the material is at converting heat to electricity. The new pea-sized pellets of nanomaterials developed by the Rensselaer team demonstrated a ZT of 1 to 1.1 at room temperature. Since such high values are obtained even without optimizing the process, the researchers are confident that higher ZT can be obtained with some smart engineering.

“It’s really amazing as to how nanostructures seasoned with just a few atoms of sulfur can lead to such superior thermoelectric properties of the bulk material made from the nanostructures, and allows us to reap the benefits of nanostructuring on a macroscale,” Ramanath said.

An important facet of the discovery is the ability to make both p-type (positive charge) and n-type (negative charge) thermoelectric nanomaterials with a high ZT. Up until now, researchers around the world have only been able to make large quantities of p-type materials with high ZT.

Additionally, the new study shows the Rensselaer research team can make batches of 10 to 15 grams (enough to make several pea-sized pellets) of the doped nanomaterial in two to three minutes with a microwave oven. Larger quantities can be produced using industrial-sized microwaves ovens.

“Our ability to scalably and inexpensively produce both p- and n-type materials with a high ZT paves the way to the fabrication of high-efficiency cooling devices, as well as solid-state thermoelectric devices for harvesting waste heat or solar heat into electricity,” said Borca-Tasciuc, professor in the Department of Mechanical, Aerospace, and Nuclear Engineering at Rensselaer.

“This is a very exciting discovery because it combines the realization of novel and useful thermoelectric properties with a demonstrated processing route forward to industrial applications,” said Siegel, the Robert W. Hunt Professor of Materials Science and Engineering at Rensselaer.

Rensselaer graduate student Rutvik J. Mehta carried out this work for his doctoral thesis. Mehta, Ramanath, and Borca-Tasciuc have filed a patent and formed a new company, ThermoAura Inc., to further develop and market the new thermoelectric materials technology. Mehta has since graduated and is now a post-doctoral associate at Rensselaer. He also serves as president of ThermoAura.

Beyond refrigerators and air conditioning, the researchers envision this technology could one day be used to cool computer chips.

Along with Ramanath,Borca-Tasciuc, Siegel, and Mehta, co-authors of the paper are Rensselaer graduate students Yanliang Zhang, Chinnathambi Karthik, and Binay Singh.

This research is funded by support from the National Science Foundation (NSF); IBM through the Rensselaer Nanotechnology Center; and the U.S. Department of Energy through the S3TEC Energy Frontiers Research Center at the Massachusetts Institute of Technology (MIT).

For more information on the research of Ramanath, Borca-Tasciuc, and Siegel at Rensselaer, visit:

Faculty Home Page – Ramanath
http://homepages.rpi.edu/~ganapr/

Faculty Home Page – Borca-Tasciuc
http://nanotec.meche.rpi.edu/

Faculty Home Page – Siegel
http://mse.rpi.edu/faculty_details.cfm?facultyID=sieger

“Nanosculpture” Could Enable New Types of Heat Pumps and Energy Converters
http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=2471

Inexpensive “Nanoglue” Can Bond Nearly Anything Together
http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=2154

Water Could Hold Answer to Graphene Nanoelectronics
http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=2783

Professor-Turned-Producer Learns the Movie Biz
http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=2490

Contact: Michael Mullaney
Phone: (518) 276-6161
E-mail: mullam@rpi.edu

Michael Mullaney | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.rpi.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Engineered materials: Custom-made magnets
24.05.2012 | The Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)

nachricht Singapore-made anti-reflective plastics to be commercialised
24.05.2012 | The Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)

Alle Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>


Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit


Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.

Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.

„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...

Im Focus: Widerspenstiges Quasiteilchen erzeugt


Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.

Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...

Im Focus: Licht lässt Partikel wachsen - Forscher entdecken neuen Mechanismus in der Atmosphäre


Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.

Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.

Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...

Im Focus: Abschreckung: Tabak signalisiert angreifenden Zikaden Verteidigungsbereitschaft


Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen

Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...

Im Focus: Erbgutkopie reist im Protein-Koffer


Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.

Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.

Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...

Alle Focus-News des innovations-reports >>>

Anzeige

B2B Suche
Produkt / Dienstleistung
Firma / Organisation

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Aktuell

Energieversorger vor dem Umbruch

24.05.2012 | Studien Analysen

Stem-cell-growing surface enables bone repair

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Veranstaltungen

NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Wissenschaft und Öffentlichkeit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

FindAndHelp