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Sandia Forscher zuerst, zum des thermoelektrischen Verhaltens durch „Tinkertoy“ Materialien zu messen

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Sandia Laboratoriumforscher haben die ersten Maße vom thermoelektrischen Verhalten durch einen nanoporous metal-organic Rahmen (MOF), eine Entwicklung gebildet, die zu eine völlig neue Kategorie Materialien für solche Anwendungen wie abkühlenden Computer-Chips und Kameras und das Energieernten führen könnte

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LIVERMORE, CA? ? Diese Resultate führen MOFs als neue Kategorie thermoelektrische Materialien, die hergestellt werden und optimiert werden können ein? besagter Sandia Physiker François Léonard. ? Diese Entdeckung holt uns einen Schritt näeher an der Verwirklichung des Potenzials von MOFs in den praktischen Anwendungen.?

Die Resultate wurden innen veröffentlicht? Dünnfilm-thermoelektrisches Metall? Organischer Rahmen mit hohem Seebeck Koeffizienten und niedriger Wärmeleitfähigkeit? welches 28. April online in vorgerückten Materialien erschien. Bauten dieser Arbeit auf vorhergehender Forschung, in der die Sandia Mannschaft elektrische Leitfähigkeit in MOFs verwirklichte, indem sie die Poren mit einem Molekül einsickerte, das als tetracyanoquinodimethane bekannt ist oder TCNQ, wie in einem Artikel 2014 in der Wissenschaft beschrieben.

? Die Tatsache, dass ein TCNQ-gefülltes MOF Elektrizität ziemlich gut leitet, bildete uns hoffnungsvolles dieses wir? d sehen auch Thermoelectricity, aber es war auf keinen Fall gegeben? besagte Sandia ältere Wissenschaftler Markierung Allendorf. ? Wir fanden, das nicht nur das materielle thermoelektrische ist, aber auch die Leistungsfähigkeit seiner Temperaturumwandlungsansätze, die von den besten Leitmaterialien Wismuttellurid. mögen?

Bekehrte Hitze der thermoelektrischen Vorrichtungen zur Elektrizität und haben keine beweglichen Teile und bilden sie extrem attraktiv für das Abkühlen und Energie Anwendungen erntend. Thermoelektrisches MOFs konnte diesen Vorteilen einen Schritt mit verbesserter Leistung, kleinerer Größe und flexiblen Entwürfen weiter unternehmen.

Die Forscher gewannen auch ein grundlegendes Verständnis der Gebührentransporteigenschaften dieser neuen Materialien, das das weit reichende Ziel der Gestaltung von MOFs in die elektronischen und optoelektronischen Vorrichtungen fördert.

Guest@MOF Konzept beschrieben

Wie beschrieben? molekulare Stümperspielwaren? MOFs haben eine kristallene Struktur, die molekularem Baugerüst ähnelt und bestehen aus den steifen organischen Molekülen, die zusammen durch Metallionen verbunden werden. Jene organischen Moleküle sind die Stöcke und die Metallionen sind- die Kugeln.

Der Mischling der anorganischen und organischen Bestandteile produziert eine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften: nanoporosity, ultralarge Flächen und bemerkenswerte Wärmebeständigkeit, die zu den Chemikern attraktiv sind, die neue Materialien suchen. Der leere Raum, der durch die organischen Moleküle und die Metallionen gestaltet wird, ist-, was wirklich auseinander MOFs einstellt? leeren Sie Raum, der mit praktisch jedem kleinen Molekül gefüllt werden kann, das, ein Chemiker wählt.

? Wir beschreiben dieses Konzept als Guest@MOF, wenn der Gast praktisch jedes mögliches Molekül ist, das genug, in die MOF Poren zu passen klein ist? erklärtes Alec Talin, ein Materialwissenschaftler bei Sandia. ? Die große Sache über Chemie ist Sie kann eine große Vielfalt, um seine Eigenschaften zu ändern der innerhalb eines MOF eingesetzt zu werden Moleküle synthetisieren. In optimierenmaterialien gibt dieses Ihnen viele Drehknöpfe zur Umdrehung.?

MOF-ermöglichte leistungsfähige Energieumwandlung

Die Forscher mussten eine Methode planen, um die thermoelektrischen Eigenschaften von TCNQ@MOF zu messen, in dem TCNQ das Gastmolekül war. MOFs sind so neu? sie wurden nur 1999 entdeckt? dass Forscher sich häufig auf der Grenze der Wissenschaft mit wenigen hergestellten Werkzeugen oder sogar einem freien Verständnis des Materials finden? s-Grundlageeigenschaften.

Léonard, Talin und Kristopher Erickson, ein ehemaliger Sandia Habilitationsgefährte, verursachten eine thermoelektrische Vorrichtung, indem sie Peltier-Heizungen und Kühlvorrichtungen an jedes Ende eines Dünnfilms von TCNQ@MOF anschlossen, um eine kleine Temperatursteigung zu erzeugen. Sie maßen genau die Temperatursteigung mit einer Infrarotkamera beim die erzeugte Spannung gleichzeitig messen. Von diesen Daten erreichten sie die Spannung pro die Maßeinheit des Temperaturwechsels, bekannt als der Seebeck Koeffizient.

Patrick Hopkins, ein Assistenzprofessor des Maschinenbauwesens an der Universität von Virginia und sein Student im Aufbaustudium Brian M. Foley verwendete eine Laser-Technik, um die Wärmeleitfähigkeit zu messen.

Die resultierenden Maße zeigten große Versprechung. TCNQ@MOF hat einen hohen Seebeck Koeffizienten und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, zwei wichtige Eigenschaften für leistungsfähigen Thermoelectricity. Der Seebeck Koeffizient war in der gleichen Strecke wie Wismuttellurid, eins der obersten Festzustands- thermoelektrischen Materialien.

? Der folgende Schritt ist, wie wir ihn besser? bilden? besagtes Allendorf. ? Die Energieumwandlung ist nicht noch mit Festzustands- Materialien konkurrierend, aber wir denken, dass wir das mit besserer elektrischer Leitfähigkeit verbessern können.?

Maße erbringen das grundlegende Verständnis der elektronischen Struktur MOFs modellierend

Die Maße nahmen auch Daten gefangen, die die Mannschaft vorangebracht hat? s-grundlegendes Verständnis der TCNQ@MOF elektronischen Struktur. Sandia Physiker Catalin Spataru und Pflegeberechnungen der Materialwissenschaftler Mike-geleitete ausführliche elektronischen Struktur TCNQ@MOF und Sandia des Materialwissenschaftlers Reese Jones führten Wärmeleitfähigkeitsimulationen durch.

? Wir versuchten, die Rolle des Gastmoleküls, TCNQ in diesem Fall zu verstehen, wenn es die Pore eines MOF einsickert. Eine Repräsentativkonfiguration für das kombinierte TCNQ@MOF System über Computersimulationen zu finden war besonders schwierig, wie wir anziehen? t erwarten Gastmoleküle, um eine bestellte Struktur zu bilden? besagtes Spataru.

Die Simulationen erlaubten den Forschern, die Quelle des Gebührentransportes zu überprüfen und herzustellen, dass TCNQ@MOFs eine Part Material ist. Anwendungen wie Transistoren und Dioden erfordern Halbleiter der Part und der Nart.

? Wir? Re nach einem Molekül jetzt, suchend, das im Verbindung mit einem MOF eine Nart Halbleiter mit ähnlichen Eigenschaften zu TCNQ@MOF verursacht? besagtes Léonard. ? Sobald wir das finden, wir? ll ist in dem Anfangsstadium der Schaffung einer vollen thermoelektrischen Vorrichtung.?

MOFs im Raum, in den smartphones und in den Autos

Sobald thermoelektrisches MOFs genügende Energieumwandlungs-Leistungsfähigkeit verwirklichen, konnten sie bestehende, Kühlverfahren in den Vorrichtungen zu ersetzen anfangen, in denen Kompaktheit und Gewicht Prioritäten sind. Die Kameras, die an den Satelliten angebracht werden, die das konstante Abkühlen erfordern, zum richtig zu arbeiten, sind ein Beispiel. Das Ersetzen der Ventilatoren in den Computer-Chips durch thermoelektrisches MOFs könnte das Gewicht der Laptop-Computer, der smartphones und anderer beweglicher Elektronik und der Zahl beweglichen Teilen verringern, die schließlich heraus tragen.

Energie-erntend n5utzen thermoelektrische Vorrichtungen gevergeudete Hitze aus, um Energie zu zeichnen. Eine thermoelektrische Vorrichtung nahe einer Automaschinen- oder -abgasanlage konnte diese gevergeudete Hitze in eine Energiequelle für das Auto bringen? s-Elektronik. Thermoelektrische Vorrichtungen werden auch benutzt, um das beschränkte Abkühlen für Passagierbequemlichkeit zur Verfügung zu stellen.

? Eine andere mögliche Anwendung verwendet Temperatursteigungen im Boden, um Sensoren in den entlegenen Gebieten anzutreiben? besagtes Léonard. ? Thermoelectrics könnte für diese Anwendung ziemlich ideal sein, da Sie eine Vorrichtung gründen und ihr Durchlauf für lange Zeitspannen der Zeit überlassen konnten.?

Suchvorgänge der zukünftigen Arbeit, zum von Leistungsfähigkeit zu verbessern

Die Forscher verbessern jetzt die thermoelektrische Leistungsfähigkeit von TCNQ@MOF. Eine Allee ist, die MOF Filme von den polykristallinen Strukturen zu ändern, die in der Anfangsforschung zu single-crystal benutzt werden.

? Eine vereinheitlichte Struktur sollte Elektrizität besser leiten? besagter Sandia Chemiker Vitalie Stavila, der die MOF Dünnfilme wuchs. ? Jedoch glauben wir, dass die Schnittstellen zwischen den polycrystal Körnern zur niedrigen Wärmeleitfähigkeit beitragen. So wird die beste Energieumwandlungs-Leistungsfähigkeit wahrscheinlich erzielt, indem man diese zwei Parameter. balanciert?

Die Forscher drehen auch ihre thermoelektrische Maßtechnik zu anderem MOFs und zu Materialien, wie Carbon nanotube Dünnfilmen.

? Dieses ist eine sehr aufregende Zeit, an MOFs zu arbeiten? besagtes Allendorf. ? Grundlegende Wissenschaft fängt nur an, diese Neuanmeldungen einzuholen, die am schnellen Schritt voranbringen. Das verbesserte Verständnis wir? der Reanfang zum zu erhalten hilft uns, MOFs in viele aufregenden aber herausfordernden neuen Bereiche zu verlängern.?