19/01/2016 - Sie identifizieren das erste bi-Thermo-Molekular

Menéame

Mehr als die Hälfte der Weltenergie wird in Form von Wärme verschwendet. Die Thermoelektrische Materialien, die die Wärme direkt in Elektrizität umwandeln, sind die ideale Lösung für die Rückgewinnung eines Teils dieser Restwärme. Die derzeit verfügbaren Materialien haben jedoch nur begrenzte Leistungsfähigkeit, hohe Kosten und übermäßige Toxizität.

Die Suche nach kostengünstigen, effizienten und umweltfreundlichen organischen thermoelektrischen Materialien ist ein aktives Forschungsgebiet, dessen Ergebnisse eine große Auswirkung auf unsere Gesellschaft haben könnten.

El Thermoelektrischer Seebeck-Effekt besteht aus einem Spannungsunterschied zwischen den Enden eines Materials, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten aufgebracht wird.

Der thermische Koeffizient oder Seebeck-Koeffizient ist ein Maß der Spannung, die nach der angewendeten Temperaturgrad erscheint und sein Zeichen hängt von den Lastträgern im System (Elektronen oder Hohlräume) ab.

Dieses Phänomen finden wir auch auf der Nanoskala, aber um es zu verstehen, muss man auf Quantenmechanik zurückgreifen. Insbesondere ist es möglich, die thermischen Eigenschaften molekularer Verbindungen zu untersuchen, die aus einem einzigen Molekül bestehen, das zwischen zwei Elektroden verbunden ist, die bei unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Die Eigenschaften dieser Systeme hängen von der chemischen Natur der verwendeten Moleküle ab, und das Zeichen des thermoelektrischen Koeffizienten liefert sehr wertvolle Informationen über die Art des Transports, der durch das Molekül erfolgt.

Bi-Thermo-Fulleren

Vor kurzem durchgeführte Forschungen zeigen, dass bestimmte Moleküle, insbesondere einige endhädrische Fulleren, bi-thermoelektrische Systeme sind, d. h. Moleküle, die je nach ihrer Ausrichtung einen Seebeck-Koeffizient sowohl positiv als auch negativ haben können und bei denen es möglich ist, ihren Wert durch Druck auf sie zu ändern.

Die endhädrischen Fullerene sind Moleküle, die aus einem Fulleren bestehen (die aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einer ähnlichen Struktur wie ein Fußball angeordnet sind), in die ein anderes Molekül durch chemische Synthese eingeführt wird. Im Fall des Sc3N@C80 Moleküls hat Fulleren 80 Kohlenstoffatome, und es gibt ein Metallmolekül, das aus drei Scandiumatomen besteht, die an ein Stickstoffatom gebunden sind.

Zur Untersuchung der Transporteigenschaften einzelner Moleküle wurde ein Tunneleffektmikroskop (oder STM) verwendet. Das STM ist ein sehr leistungsstarkes Werkzeug, das es ermöglicht, mit einer Goldspitze wie Elektrode die auf einer ebenfalls goldenen Oberfläche (zweite Elektrode) abgelagerten Moleküle zu visualisieren und anschließend den elektrischen Transport zu berühren und zu kennzeichnen. Darüber hinaus ist es möglich, Thermostrom in einzelnen molekularen Verbindungen zu messen, indem man die Spitze des STM etwa 40°C über der Umgebungstemperatur erhitzt und einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Elektroden herstellt.

Die von Sc3N@C80 gebildeten molekularen Verbindungen weisen je nach Ausrichtung jedes Moleküls unterschiedliches thermoelektrisches Verhalten mit negativen Lastträgern (Elektronen) auf, da diese sich in die eine oder andere Richtung bewegen.

Darüber hinaus ist es möglich, die Transporteigenschaften dieser Moleküle durch Druck auf sie mit der Spitze des STM zu verändern.

"Die Ausrichtung der Moleküle auf der Goldoberfläche bestimmt, dass der elektrische Strom in die eine oder andere Richtung geht, was das Zeichen des Seebeck-Koeffizients bestimmt; und durch den Druck wird der Wert dieses Koeffizienten immer negativer. Wenn der Wert zunächst positiv ist, kann es bei der Ausübung des Drucks zu einem Zeichenwechsel kommen. Der Schlüssel zu diesem ungewöhnlichen Verhalten ist das Auftreten einer Transportresonanz im Metallmolekül innerhalb des Fullerens, bei der Elektronen, die durch das Molekül gehen, empfindlich sind," erklären die Teammitglieder.

Dieser Fund öffnet die Tür für die Untersuchung einer neuen Art von Materialien, die wichtige Fortschritte bei technologischen Anwendungen zur Wärmerückgewinnung, Sensoren oder Kühlsysteme ermöglichen können.

Da es sich um ein einziges Material handelt, das beide thermoelektrischen Verhaltensweisen zeigt, kann es leichter sein, Sammelprobleme zu beseitigen, da es nur die Entwicklung geeigneter Oberflächen erfordert, die die Ausrichtung der Moleküle vorzugsweise bestimmen können.

 Ziel ist es, geeignete Materialien mit optimaler Effizienz zu schaffen, so dass die Verwendung von thermoelektrischen Geräten dazu beitragen kann, die große Herausforderung zu bewältigen, die die derzeitigen hohen Energieverluste mit sich bringen.

Die Ergebnisse, die experimentelle Forschung und theoretische Berechnungen kombinieren, wurden in der Zeitschrift Nature Materials.

An der Arbeit nahmen Physiker des Zentrums für Physik der Condensada Materie (IFIMAC) der Autonomen Universität Madrid (UAM) und des Instituts für fortgeschrittene Studien IMDEA-Nanociencia teil: Laura Rincón García, Dr. Charalambos Evangeli, Prof. Gabino Rubio Bollinger und Prof. Nicolas Agraït; in Zusammenarbeit mit Gruppen der Universität Lancaster (Prof. Colin J. Lambert) und der Universität Oxford (Dr. Kyriakos Porfyrakis).

Bibliographische Referenz:

Laura Rincón García, Ali K. Ismael, Charalambos Evangeli, Iain Grace, Gabino Rubio Bollinger, Kyriakos Porfyrakis, Nicolás Agraït & Colin J. Lambert. “Molecular design and control of fullerene-based bi-thermoelectric materials”. Nature Materials. DOI: 10.1038/nmat4487

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Autonome Universität Madrid

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