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Chercheurs de Sandia d'abord pour mesurer le comportement thermoélectrique par des matériaux de « Tinkertoy »

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Les chercheurs de laboratoires nationaux de Sandia ont fait les premières mesures du comportement thermoélectrique par un cadre métallo-organique nanoporous (MOF), un développement qui pourrait mener à une classe entièrement nouvelle des matériaux pour des applications telles que les puces et les appareils-photo et la moisson de refroidissement d'énergie

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LIVERMORE, CA ? ? Ces résultats présentent MOFs comme nouvelle classe des matériaux thermoélectriques qui peuvent être travaillés et optimisés ? physicien dit François Léonard de Sandia. ? Cette découverte nous apporte une étape plus près de réaliser le potentiel de MOFs dans des applications pratiques. ?

Les résultats ont été édités dedans ? Métal thermoélectrique de la couche mince ? Cadre organique avec le coefficient élevé de Seebeck et la basse conductivité thermique ? ce qui est apparu 28 avril en ligne en matériaux avancés. Constructions de ce travail sur la recherche précédente dans laquelle l'équipe de Sandia a réalisé la conductivité électrique dans MOFs en infiltrant les pores avec une molécule connue sous le nom de tetracyanoquinodimethane, ou TCNQ, comme décrit dans un article 2014 en la Science.

? Le fait qu'un MOF TCNQ-rempli conduit l'électricité tout à fait bien nous a fait le ce plein d'espoir nous ? d voient également la thermoélectricité, mais était-elle nullement donné ? marque aînée dite Allendorf de scientifique de Sandia. ? Nous avons trouvé qui est non seulement le thermoélectrique matériel mais également l'efficacité de ses approches de conversion de la température qui des meilleurs matériaux de conduite aiment le tellurure de bismuth. ?

La chaleur de converti thermoélectrique de dispositifs à l'électricité et n'ont aucune pièce mobile, les rendant extrêmement attrayantes pour le refroidissement et l'énergie moissonnant des applications. MOFs thermoélectrique a pu prendre à ces avantages une mesure plus loin avec l'exécution améliorée, la plus petite taille et les conceptions flexibles.

Les chercheurs ont également gagné un arrangement fondamental des propriétés de transport de charge de ces matériaux originaux qui promeut le but à longue portée de mouler MOFs dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques.

Concept de Guest@MOF décrit

Décrit As ? jouets moléculaires d'étameur ambulant ? MOFs ont une structure cristalline qui ressemble à l'échafaudage moléculaire, se composant des molécules organiques rigides liées ensemble par des ions en métal. Ces molécules organiques sont les bâtons et les ions en métal sont les boules.

L'hybride des composants inorganiques et organiques produit une combinaison peu commune des propriétés : nanoporosity, superficies d'ultralarge et stabilité thermique remarquable, qui sont attrayants aux chimistes cherchant les matériaux originaux. L'espace vide encadré par les molécules et les ions organiques en métal est ce qui place vraiment à part MOFs ? videz l'espace qui peut être rempli de pratiquement n'importe quelle petite molécule qu'un chimiste choisit.

? Nous décrivons ce concept comme Guest@MOF, avec l'invité étant pratiquement n'importe quelle molécule assez petite pour s'adapter dans les pores de MOF ? Alec expliqué Talin, un scientifique de matériaux chez Sandia. ? La grande chose au sujet de la chimie est vous peut synthétiser une large variété de molécules à insérer à l'intérieur d'un MOF pour changer ses propriétés. En matériaux de linéarisation, ceci te donne beaucoup de boutons au tour. ?

conversion d'énergie efficace MOF-permise

Les chercheurs ont dû concevoir une méthode pour mesurer les propriétés thermoélectriques de TCNQ@MOF, où TCNQ était la molécule d'invité. MOFs sont si nouveau ? ils ont été seulement découverts en 1999 ? que les chercheurs se trouvent souvent sur la frontière de la science avec peu d'outils établis ou même un arrangement clair du matériel ? propriétés de principe fondamental de s.

Léonard, Talin et Kristopher Erickson, un ancien camarade post-doctoral de Sandia, ont créé un dispositif thermoélectrique en reliant des réchauffeurs et des refroidisseurs de Peltier à chaque extrémité d'une couche mince de TCNQ@MOF pour produire d'un gradient de température minuscule. Ils ont exactement mesuré le gradient de température avec un appareil-photo infrarouge tout en simultanément mesurant la tension produite. De ces données ils ont obtenu la tension par unité de changement de température, connue sous le nom de coefficient de Seebeck.

Patrick Hopkins, un assistant de la construction mécanique à l'université de la Virginie, et son étudiant de troisième cycle Brian M. Foley avait l'habitude une technique de laser pour mesurer la conductivité thermique.

Les mesures en résultant ont montré la grande promesse. TCNQ@MOF a un coefficient élevé de Seebeck et une basse conductivité thermique, deux propriétés importantes pour la thermoélectricité efficace. Le coefficient de Seebeck était dans la même gamme que le tellurure de bismuth, un des matériaux thermoélectriques à semi-conducteur supérieurs.

? La prochaine étape est comment nous la rendons meilleure ? ? Allendorf dit. ? La conversion d'énergie n'est pas concurrentielle encore avec les matériaux à semi-conducteur, mais pensons-nous que nous pouvons améliorer cela avec une meilleure conductivité électrique. ?

Les mesures rapportent l'arrangement fondamental de la structure électronique modelant MOFs

Les mesures ont également capturé les données qui ont avancé l'équipe ? arrangement fondamental de s de la structure électronique de TCNQ@MOF. Le physicien Catalin Spataru de Sandia et les calculs détaillés conduits adoptifs de structure électronique de Mike de scientifique de matériaux du scientifique Reese Jones de matériaux de TCNQ@MOF et de Sandia ont effectué des simulations de conductivité thermique.

? Nous essayions de comprendre le rôle de la molécule d'invité, TCNQ dans ce cas-ci, quand elle infiltre le pore d'un MOF. La conclusion d'une configuration représentative pour le système combiné de TCNQ@MOF par l'intermédiaire des simulations sur ordinateur était particulièrement provocante, comme nous mettons ? t s'attendent à ce que les molécules d'invité forment une structure commandée ? Spataru dit.

Les simulations ont permis aux chercheurs de vérifier la source de transport de charge et d'établir que TCNQ@MOFs est un p-type matériel. Les applications telles que des transistors et des diodes exigent des semi-conducteurs de p-type et de n-type.

? Nous ? re maintenant recherchant une molécule qui en combination avec un MOF crée un n-type semi-conducteur avec les propriétés semblables à TCNQ@MOF ? Léonard dit. ? Une fois que nous trouvons cela, nous ? le ll soit à la partie de créer un plein dispositif thermoélectrique. ?

MOFs dans l'espace, des smartphones et des voitures

Une fois que MOFs thermoélectrique réalisent l'efficacité de conversion suffisante d'énergie, ils pourraient commencer à remplacer des méthodes de refroidissement existantes dans des dispositifs où la compacité et le poids sont des priorités. Les appareils-photo montés sur les satellites, qui exigent le refroidissement constant à fonctionner correctement, sont un exemple. Le remplacement des ventilateurs dans des puces par MOFs thermoélectrique pourrait réduire le poids d'ordinateurs portables, smartphones et toute autre électronique portative et le nombre de pièces mobiles qui porteront par la suite dehors.

Énergie-moissonnant les dispositifs thermoélectriques profitent de la chaleur gaspillée pour dessiner la puissance. Un dispositif thermoélectrique près d'un dispositif de moteur ou d'échappement de voiture a pu transférer cette chaleur gaspillée dans une source d'énergie pour la voiture ? l'électronique de s. Des dispositifs thermoélectriques sont également utilisés pour fournir le refroidissement localisé pour le confort de passager.

? Une autre application potentielle emploie des gradients de température dans la terre pour actionner des sondes dans les contrées lointaines ? Léonard dit. ? Thermoelectrics pourrait être tout à fait idéal pour cette application, car vous pourriez installer un dispositif et le soin laisser à la course pendant de longues périodes. ?

Recherches de travaux futurs pour améliorer l'efficacité

Les chercheurs améliorent maintenant l'efficacité thermoélectrique de TCNQ@MOF. Une avenue est de changer les films de MOF des structures polycristallines utilisées dans la recherche initiale en monocristallin.

? Une structure unifiée devrait conduire l'électricité mieux ? chimiste dit Vitalie Stavila de Sandia, qui a élevé les couches minces de MOF. ? Cependant, nous croyons que les interfaces entre les grains polycrystal contribuent à la basse conductivité thermique. Ainsi la meilleure efficacité de conversion d'énergie sera probablement réalisée en équilibrant ces deux paramètres. ?

Les chercheurs tournent également leur technique de mesure thermoélectrique à d'autres MOFs et matériaux, tels que les couches minces de nanotube de carbone.

? C'est un temps très passionnant pour travailler à MOFs ? Allendorf dit. ? La science fondamentale commence seulement à rattraper avec ces nouvelles applications, qui avancent au rythme rapide. L'arrangement amélioré nous ? le commencement re à obtenir nous aidera à prolonger MOFs dans beaucoup nouveaux de secteurs passionnants mais exaltants. ?