Een van de dromen van natuurkundigen vandaag is dat ze elektriciteit kunnen terugwinnen uit gedissipeerde warmte. De sleutel hiervoor ligt waarschijnlijk in circuits die enkele moleculen bevatten. In plaats van beperkt te zijn tot klassieke geleiding, kan de thermokracht drastisch worden verbeterd door de eigenschappen van kwantumtoestanden. Maar welke kwantumtoestanden bieden dan een goede efficiëntie? Welke eigenschappen zijn wenselijk? Theorie biedt vaak tegengestelde voorspellingen. Helaas hebben experimenten ook nog geen bewijs geleverd, omdat ze notoir moeilijk op te zetten zijn. Maar nu hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) in samenwerking met UC Louvain, University of Oxford, Northwestern University en Heriot-Watt University precies dat gedaan. Ze onderzochten voor het eerst experimenteel de poort- en biasafhankelijke thermo-elektrische eigenschappen van een enkel molecuul. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie
Het beheersen van de thermocurrent door middel van afzonderlijke moleculen is de sleutel tot thermo-elektrische energie-oogstmachines met ongekende efficiëntie. Dit is echter alleen waar in theorie, omdat gedetailleerde experimentele tests tot nu toe gewoon niet mogelijk waren: het bestuderen van de thermo-elektrische eigenschappen van een enkel molecuul is een moeilijke taak die de mogelijkheid vereist om de ene kant van een enkel molecuul precies op te warmen terwijl de andere kant behouden blijft. kant koud. Het vereist ook de mogelijkheid om nauwkeurig de resulterende minieme thermo-elektrische stromen te meten, die slechts enkele fA-pA groot zijn. Bovendien is de afstembaarheid van experimentele parameters zoals de temperatuurafwijking die wordt toegepast op het enkele molecuul en de controle van het elektrochemische potentieel ervan essentieel voor een grondig begrip van de onderliggende fysica van thermo-elektriciteit in dergelijke objecten van atoomgrootte.
Langdurige aannames
In een nieuwe paper komen onderzoekers van de TU Delft tot zo’n uitdagend experiment. Ze gebruiken een nieuwe methodologie waarmee ze de elektrische en thermo-elektrische eigenschappen van een enkel molecuul gelijktijdig kunnen bestuderen, en over een groot gate- en bias-spanningsregime.
“Onze experimenten onthullen – voor de eerste keer – de rol van interne vrijheidsgraden, zoals moleculaire trillingen of spin-entropie, op de thermo-elektrische eigenschappen”, zegt Pascal Gehring, voormalig onderzoeker van de TU Delft en universitair docent aan UC Louvain. “Door toegang te krijgen tot de thermo-elektrische responsfunctie, krijgen we volledig inzicht in de transmissiefunctie van enkele moleculen, en verifiëren zo lang bestaande aannames over het samenspel van elektronische, spin- en vibrationele vrijheidsgraden in moleculaire elektronica.”
Synthetische aanwijzingen
De afmetingen zijn de eerste in hun soort. Ze onthullen de verschillende bijdragen van verschillende toestanden en tonen het belang aan van elektron-vibratiekoppeling en van spin-entropie. Gehring: “We valideren dus theorieën over welke factoren het meest cruciaal zijn voor de thermo-elektrische eigenschappen, en geven de synthetische richtingen aan om de omzetting van warmte in energie in afzonderlijke moleculen te beïnvloeden.”
De resultaten geven ook de eerste realistische implementatie van een moleculair ontwerp. De onderzoekers ontdekten dat de thermo-elektrische respons van een enkel molecuul sterk wordt beïnvloed door de entropie, of met andere woorden, de staat van wanorde. Als de entropie van het molecuul veel verandert door er een extra elektron aan toe te voegen (omdat bijvoorbeeld de rotatiegraad van de vrijheid verandert), kan een verbeterde thermo-elektrische vermogensfactor worden verkregen. Het ontwerpen van afzonderlijke moleculen met hoge ruimtelijke of spin-entropieën zou dus een veelbelovende nieuwe manier zijn om toekomstige thermo-elektrische stroomgeneratoren te ontwerpen voor toepassingen voor het oogsten van energie.
Volledig in kaart brengen van de thermo-elektrische eigenschappen van een enkel molecuul, Natuur Nanotechnologie (2021). DOI: 10.1038 / s41565-021-00859-7
Natuur Nanotechnologie
Geleverd door de Technische Universiteit Delft