Wetenschappers maken ’s werelds kleinste’ koelkast ‘

Hoe houd je ’s werelds kleinste frisdrank koud? UCLA-wetenschappers hebben misschien het antwoord.

Een team onder leiding van professor Chris Regan, natuurkunde van UCLA, is erin geslaagd thermo-elektrische koelers te maken die slechts 100 nanometer dik zijn – ongeveer een tienmiljoenste meter – en heeft een innovatieve nieuwe techniek ontwikkeld om hun koelprestaties te meten.

“We hebben de kleinste koelkast ter wereld gemaakt”, zegt Regan, de hoofdauteur van een artikel over het onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd. ACS Nano.

Voor alle duidelijkheid: deze minuscule apparaten zijn geen koelkasten in de alledaagse zin: er zijn geen deuren of groentelades. Maar op grotere schaal wordt dezelfde technologie gebruikt om computers en andere elektronische apparaten te koelen, de temperatuur in glasvezelnetwerken te reguleren en om beeldruis in geavanceerde telescopen en digitale camera’s te verminderen.

Wat zijn thermo-elektrische apparaten en hoe werken ze?

Gemaakt door twee verschillende halfgeleiders tussen gemetalliseerde platen te klemmen, werken deze apparaten op twee manieren. Wanneer warmte wordt toegepast, wordt de ene kant heet en de andere blijft koel; dat temperatuurverschil kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. De wetenschappelijke instrumenten op het Voyager-ruimtevaartuig van NASA worden bijvoorbeeld al 40 jaar aangedreven door elektriciteit van thermo-elektrische apparaten die rond warmte-producerend plutonium zijn gewikkeld. In de toekomst kunnen soortgelijke apparaten worden gebruikt om warmte uit de uitlaat van uw auto op te vangen om de airconditioner van stroom te voorzien.

Maar dat proces kan ook omgekeerd worden uitgevoerd. Wanneer een elektrische stroom op het apparaat wordt toegepast, wordt de ene kant heet en de andere kant koud, waardoor het als koeler of koelkast kan dienen. Deze opgeschaalde technologie zou op een dag het dampcompressiesysteem in je koelkast kunnen vervangen en je echte frisdrank ijskoud kunnen houden.

Wat het UCLA-team deed

Om hun thermo-elektrische koelers te maken, gebruikte het team van Regan, dat zes UCLA-studenten omvatte, twee standaard halfgeleidermaterialen: bismut-telluride en antimoon-bismut-telluride. Ze bevestigden gewone plakband aan brokken van de conventionele bulkmaterialen, haalden het eraf en oogstten vervolgens dunne, enkelcystalige vlokken van het materiaal dat nog aan de tape vastzat. Van deze vlokken maakten ze functionele apparaten die slechts 100 nanometer dik zijn en een totaal actief volume hebben van ongeveer 1 kubieke micrometer, onzichtbaar voor het blote oog.

Om dit kleine volume in perspectief te plaatsen: uw vingernagels groeien elke seconde met duizenden kubieke micrometers. Als je nagelriemen deze kleine koelers zouden maken in plaats van vingernagels, zou elke vinger meer dan 5.000 apparaten per seconde produceren.

“We hebben het record voor ’s werelds kleinste thermo-elektrische koelbox met een factor van meer dan tienduizend verbroken”, zegt Xin Yi Ling, een van de auteurs van de paper en een voormalige student in de onderzoeksgroep van Regan.

Hoewel thermo-elektrische apparaten zijn gebruikt in nichetoepassingen vanwege voordelen zoals hun kleine formaat, hun gebrek aan bewegende delen en hun betrouwbaarheid, heeft hun lage efficiëntie vergeleken met conventionele op compressie gebaseerde systemen een wijdverbreide acceptatie van de technologie verhinderd. Simpel gezegd, op grotere schaal wekken thermo-elektrische apparaten niet genoeg elektriciteit op, of blijven ze koud genoeg – nog niet.

Maar door zich te concentreren op nanostructuren – apparaten met ten minste één dimensie in het bereik van 1 tot 100 nanometer – hopen Regan en zijn team nieuwe manieren te ontdekken om beter presterende bulkmaterialen te synthetiseren. De gewilde eigenschappen voor materialen in hoogwaardige thermo-elektrische koelers zijn een goede elektrische geleiding en een slechte thermische geleiding, maar deze eigenschappen sluiten elkaar bijna altijd uit. Een winnende combinatie kan echter worden gevonden in bijna tweedimensionale structuren zoals die van het team van Regan.

Een bijkomend onderscheidend kenmerk van de “koelkast” van het team op nanoschaal is dat deze vrijwel onmiddellijk kan reageren.

“Door zijn kleine formaat is hij miljoenen keren sneller dan een koelkast met een inhoud van een millimeter in blokjes, en dat zou al miljoenen keren sneller zijn dan de koelkast die je in je keuken hebt staan”, zei Regan.

“Als we eenmaal begrijpen hoe thermo-elektrische koelers werken op atomair en bijna-atomair niveau”, zei hij, “kunnen we opschalen naar de macroschaal, waar de grote uitbetaling zit.”

Meten hoe koud de apparaten worden

Het meten van temperatuur in zulke kleine apparaten is een uitdaging. Optische thermometers hebben een slechte resolutie op zulke kleine schaal, terwijl scansondetechnieken gespecialiseerde, dure apparatuur vereisen. Beide benaderingen vereisen nauwgezette kalibraties.

In 2015 ontwikkelde de onderzoeksgroep van Regan een thermometrietechniek genaamd PEET, of plasmon energy expansion thermometry, die een transmissie-elektronenmicroscoop gebruikt om temperaturen op nanoschaal te bepalen door veranderingen in dichtheid te meten.

Om de temperatuur van hun thermo-elektrische koelers te meten, deponeerden de onderzoekers nanodeeltjes gemaakt van het element indium op elk van hen en selecteerden ze een specifiek deeltje als hun thermometer. Terwijl het team de hoeveelheid stroom die op de koelers werd toegepast, varieerde, werden de apparaten verwarmd en gekoeld en werd het indium dienovereenkomstig uitgezet en samengetrokken. Door de dichtheid van het indium te meten, konden de onderzoekers de precieze temperatuur van het nanodeeltje en daarmee de koeler bepalen.

“PEET heeft de ruimtelijke resolutie om thermische gradiënten in kaart te brengen op de schaal van enkele nanometers – een bijna onontgonnen regime voor nanogestructureerde thermo-elektrische materialen”, zegt Regan, die lid is van het California NanoSystems Institute aan de UCLA.

Om de PEET-metingen aan te vullen, bedachten de onderzoekers een techniek genaamd condensatiethermometrie. Het basisidee is simpel: wanneer normale lucht afkoelt tot een bepaalde temperatuur – het dauwpunt – condenseert waterdamp in de lucht tot vloeistofdruppels, ofwel dauw ofwel regen. Het team maakte van dit effect gebruik door hun apparaat van stroom te voorzien terwijl ze ernaar keek met een optische microscoop. Toen het apparaat het dauwpunt bereikte, vormden zich onmiddellijk kleine dauwdruppels op het oppervlak.

Regan prees het werk van zijn student-onderzoekers bij het helpen ontwikkelen en meten van de prestaties van apparaten op nanoschaal.

“Door geavanceerde materiaalkunde en elektronenmicroscopie te koppelen aan natuurkunde in alledaagse gebieden, zoals koeling en dauwvorming, krijgen studenten snel grip op de problemen”, zei Regan. “Door ze te zien leren en innoveren, heb ik veel hoop voor de toekomst van thermo-elektronica.”