Silicium nanodraden blijken goed thermo-elektrisch materiaal

Nanodraden van silicium zijn net zo goed te gebruiken als thermo-elektrisch materiaal als de dure materialen die momenteel gebruikt worden voor onder andere koeling, zo blijkt uit nieuw onderzoek.

Thermo-elektrisch materiaal zet een temperatuurverschil om in elektriciteit, en omgekeerd zorgt het blootstellen aan stroom voor warmte aan de ene kant van het materiaal en koeling aan de andere kant. Het materiaal moet een goede geleider van elektriciteit vormen en een slechte geleider van warmte. Omdat silicium beide goed geleidt, was de gedachte tot nu toe dat silicium een niet al te beste kandidaat vormde voor thermisch-elektrische conversie, maar een onderzoeksteam onder leiding van Peidong Yang van de Universiteit van Californië beweert het tegenovergestelde.

De onderzoekers constateerden dat nanodraden van vijftig nanometer de elektrische geleiding van silicium behouden, maar over de thermische geleidbaarheid van een honderdste van het materiaal beschikken. Bij de normale wijze van fabriceren, krijgen de nanodraden gladde randen, maar Yang en zijn collega's gebruikten een methode die draden met een grof oppervlak opleverde. Yang gelooft dat de kartelige randen de stroom van fononen, de deeltjes die de warmte dragen, afremmen. Een sluitende theorie hierover ontbreekt echter nog.

De meest gebruikte materialen voor het creëren van het thermo-elektrische effect zijn bismut telluride en lood telluride, die meestal worden verwerkt in koelapparaten. Probleem is dat de ze niet erg efficiënt zijn waardoor er erg veel van nodig is, wat op zijn beurt weer leidt tot dure en relatief grote apparaten.

Silicium is echter goedkoper en kent een uitgewerkte infrastructuur voor de verwerking. De silicium nanodraden zouden in de toekomst gebruikt kunnen worden om warmte op te vangen in computers en deze weer om te zetten in energie, schrijft Dailytech. Ook zou de technologie zijn weg kunnen vinden naar koelkasten en zonnecellen: door de draden te combineren met traditionele foto-elektrische cellen, zou een grotere efficiëntie behaald kunnen worden.

Reacties (36)

[Floort]

Yang gelooft dat de kartelige randen de stroom van fotonen, de deeltjes die de warmte dragen, afremmen.

Worden hier werkelijk fotonen bedoeld?
Ik kan niks vinden in het gelinkte artikel, maar een fonon lijkt me logischer als het gaat om warmtetransport in dit geval.

[josh-hill]

Ja, ik denk eerder dat dit fononen moet zijn (je was me net voor).

Fotonen zijn quantum deeltjes voor elektromagnetische straling (bijvoorbeeld zichtbaar licht). Fononen zijn quantum deeltjes voor roostertrillingen (lees warmte).

[beefstick]

In dit geval wordt er met fononen niets meer bedoelt dan roostertrillingen binnen het Si kristal (zie ook wikipedia). Ofwel de atomen Si gaan heen en weer en transporteren daarmee warmte van links naar rechts.

[Zyppora]

Vergeet niet dat warmte ook een vorm van straling is, namelijk infra-rood, en dus bestaat uit fotonen. Of er daadwerkelijk 'fononen' bedoeld wordt, weet ik niet. Zou best eens kunnen.

[Reactie gewijzigd door Zyppora op 1 augustus 2024 20:37]

[Floort]

Elk object (T>0K) straalt "warmtestraling". De golflengte van de uitgestraalde straling komt overeen met de zogenaamde Planck-kromme die afhankelijk is van de temperatuur van het object. Bij kamertemperatuur bevind de Plack-kromme zich vooral in het infrarood en de grotere golflengten. Bij hogere temperaturen schuift de Plack-kromme langzaam in het zichtbare spectrum. Infrarood is dus niet een speciale "magische" golflengte die warme objecten uitzenden.

Volgens "An introduction to thermal physics":

Heat is defined as any spontaneous flow of energy from one object to another, caused by a difference in temperature between the objects.

[marcieking]

Fotonen zijn toch geen deeltjes die warmte verplaatsen? Uberhaupt is warmte niet iets, wat wij als warmte ervaren is kinetische energie van deeltjes.

[Floort]

Je haalt de begrippen warmte en temperatuur door elkaar. Bijna iedereen maakt die fout (ik zelf ook af en toe). Temperatuur is een erg lastig begrip. De temperatuur van een object is gelijk aan de partiele afgeleide van z'n energie naar z'n entropie.

[chielsen]

De silicium nanodraden zouden in de toekomst gebruikt kunnen worden om warmte op te vangen in computers en deze weer om te zetten in energie

Dat lijkt me logisch, alleen is het de vraag of je het om kan zetten in bruikbare energie (elektriciteit).
Omzetten in massa kan in theorie ook nog, maar dan had ik toch echt wel een andere kop verwacht.

[Toontje_78]

Ik vind het mooi als het massa zou worden; dan kunnen we dmv massaverstraling er weer energie van maken.

De warmte in computers is behoorlijk laagwaardig, het rendement hiervan zou schrikbarend slecht zijn. Dan kan je beter een organische rankine cyclus mee voeden, bewezen technologie enzo.

Tenzij de hoge T processoren in zwang komen van Si met een uitzettingscoëfficient van 0, is energie terugwinnen gewoon onzin ivm het belaberde rendement en de meerinvestering.

Wat betere Peltier-elementen is miniaturisatie mooi meegenomen natuurlijk. Het afvoeren van gelokaliseerde warmtepunten hierdoor lijkt me dan ook een veel grotere kans hebben.

[Ramzzz]

Silicium is nogal een onedel metaal; hoe lang gaat dit in niet-volledig-vacuüm, of volledig ingebed in een laag koper/zilver/aluminium (met evt. anti-contactcorrosielaag) goed?

[w1z13]

Ik zal je even uit je dromen helpen, silicium is helemaal geen metaal zie: periodiek systeem(staat duidelijk bij de niet-metalen), Ik snap ook niet dat je daar een neutrale moderatie voor kan krijgen. Heeft er niemand scheikunde gehad hier? Ook zoals in het artikel staat is silicium op zichzelf helemaal geen elektrische geleider, silicium wordt geleidend gemaakt door er een kleine vervuiling aan toe te voegen. Verder is dit wel een mooie ontwikkeling, op deze manier kunnen halfgeleiders nog sneller, koeler en zuiniger gemaakt worden. Wat ik me wel afvraag is zoals met alle ontwikkelingen, wanneer ze teruggezien zullen worden in (consumenten)producten.

[Verwijderd]

Het 0-niveau is de score waar reacties op binnenkomen nadat zij zijn geplaatst. De score 0 is bedoeld voor opmerkingen die niet direct bijzonder nuttig zijn, maar ook geen kwaad in de zin hebben. Reacties met eenvoudige vragen, vriendelijke doch onvoldoende onderbouwde opmerkingen, open deuren, onschuldige off-topic posts en reacties die feitelijke onjuistheden bevatten, blijven steken op het 0-niveau.

Dus..

[Verwijderd]

[justice mode]
...waarom krijg jij (@w1z13) dan +2 als je zelf niet bepaald vriendelijk reageert? Niet dat je ongelijk hebt, maar om nu over punten te beginnen, dus gezien de rest van z'n post onterecht...

En om je positieve deel enigszins aan te vullen (bron hier):

Metalloïde (groep elementen, waaronder Silicium ook valt)
De metalloïden (of Semi-metalen) zijn een groep elementen die qua eigenschappen tussen de metalen en niet-metalen in zitten. In het periodiek systeem zijn zij te vinden op de diagonaal van het P-blok van links boven boor naar rechts beneden astatium. De reden daarvoor is dat de elektronegativiteit juist langs de andere diagonaal toeneemt. De metalloïden vormen dus een groep met ongeveer dezelfde elektronegativiteit. Zij vormen de overgang van metalliek en reducerend gedrag (lage elektronegativiteit, extreem voorbeeld: cesium) naar niet-metaal en oxiderend gedrag (extreem voorbeeld: fluor).

Ofwel, iemand (zoals ik) die eigenlijk geen verstand heeft van het verschil tussen metaal en en een niet-metaal: Dan kan je stellen dat Ramzzz zit in de buurt met z'n antwoord dat silicium een metaal zou zijn. Dus wat w1z13 zei: "helemaal geen metaal" gaat dan niet op, ben ik van mening.
[/justice mode]

Silicium is in principe niet puur (dus zand <> silicium) te vinden. Maar wel in combinatie met diverse andere elementen (zand bijv.). Eerst moet die 'combinatie' (chemische verbindingen) puurder gemaakt worden. Vervolgens wordt het puurdere weer wat vuiler gemaakt (wat w1z13 bedoelt) met verschillende andere verbindingen als mogelijkheid en welke niet om hier te noemen zijn, zoveel.

[airell]

Thermo-elektrisch materiaal zet een temperatuurverschil om in elektriciteit.

Betekend dit ook dat je van warmte verlies (lamp) weer elektriciteit zou kunnen maken?

Waar 'zand' allemaal niet goed voor is.

[Reactie gewijzigd door airell op 1 augustus 2024 20:37]

[g4wx3]

in theorie zou je inderdaad de warmte kunnen omzeten naar electriciteit.
Maar een gloeilamp is daar net rendabel genoeg voor. Een gloeilamp is eigenlijk een wegwerpproduct, dat zo goedkoop mogelijk geproduceerd moe wrorden, dus gaan ze hier nooit dergelijke technologie in stoppen. Men is eerder op zoek naar een vervanger voor een gloeilamp.
BTW: de rendabiliteit van dit soort thermo electrische generators is heel klein. Een gloeilap zal dus nooit van zichzelf kunnen branden, maar zefls eeen klein beetje extra is niet rendabel genoeg.

[Reactie gewijzigd door g4wx3 op 1 augustus 2024 20:37]

[ottovds]

Wie gebruikt er nu ook nog een gloeilamp?

ideaal voor wat extra accuduur in portables hoop ik. Nu nog hopen dat het echt niet veel extra aan gewicht geeft zodat het in onderander macbook air achtige laptops kan gestoken worden

[Maghiel]

ik, op de wc of in de badkamer bijvoorbeeld. een spaarlamp kost namelijk bij het aanzetten meer stroom dan bij een gloeilamp. In de wc heb je 5 minuutjes je licht aan, dus is een gloeilamp zuiniger.

[nuclear waste]

Jep, en die energie die je in het opstarten meer gebruikt bij een spaarlamp heb je na ongeveer 200ms terugverdiend. Snelle plasser!

[Verwijderd]

Het verschilt per lamp natuurlijk, maar ik geloof dat er spaarlampen zijn die er zo'n 3 uur aan stroom duurheen kunnen rammen als je ze aan zet.

[batavier]

Volgens mij is dit 1 van die verhalen die al jaaaaren de ronde doet. Het lijkt mij een fabel. Misschien dat het met de oude spaarlampen het geval was, maar ik meen ergens gelezen te hebben dat dit allang niet meer het geval is.

Overigens hebben gewone lampen ook een piekstroom bij het aanzetten, al was het alleen maar omdat de gloeidraad dan nog koud is (gloeilampen gaan vaak stuk op het moment dat je ze aanzet).

Het probleem bij spaarlampen is niet dat ze een piekstroom hebben die enorm veel stroom vreet (hooguit een piekstroom van enkele milliseconden schat ik zo), maar dat ze minder lang mee gaan als je ze vaak aan en uit zet. Maar ook dit geldt weer voor gloeilampen...

Bron: eh... geen idee.
EDIT:
Osram heeft iets in hun FAQ staan. Levensduur wordt niet bekort, als je maar twee minuten wacht om de thermische weerstand te laten afkoelen.

[Reactie gewijzigd door batavier op 1 augustus 2024 20:37]

[Maghiel]

heb je daar een bron van voor me?

edit:

reactie op nuclear waste

[Reactie gewijzigd door Maghiel op 1 augustus 2024 20:37]

[nuclear waste]

Bron, nee...
Die 200ms is ook maar een gok, en zit er waarschijnlijk ver naast, punt is dat een spaarlamp echt niet meer in die mate verbruikt bij het opstarten dan vroeger. (in die mate dat het verbruik van een gloeilamp met dezelfde lichtoutput als een spaarlamp meer energie zal kosten voor de duur van een gemiddeld toiletbezoek)

Ik sluit me trouwens bij batavier aan, ook gloeilampen en halogeenlampen hebben een piekstroom. (kan tot 200A lopen voor een 1kW PAR64 FFN 120V lamp)

Ideale oplossing voor op het toilet en andere plaatsen waar vaak een korte tijd licht nodig is op (meteen op volle sterkte)... LED's

Alhoewel dit sterk afhangt van de stroombron (LED's werken niet goed met spanningsbronnen) Kan een LED ongeveer even vaak geschakeld worden als een transistor in je CPU, en de intensiteit is ook meteen 100%.

[Maghiel]

voor LEDjes heb je dan weer een transformator nodig wat ook meer kost

[Zyppora]

De silicium nanodraden zouden in de toekomst gebruikt kunnen worden om warmte op te vangen in computers en deze weer om te zetten in energie

Klinkt als een mooie vinding, zal ook Al Gore blij mee zijn

[Verwijderd]

Tenzij het meer energie kost om die nanodraden te produceren als dat ze tijdens de levensduur opbrengen. Dan heeft het nog weinig zin, en zal Al Gore er iets minder blij mee zijn!

[Verwijderd]

Dit slaat natuurlijk nergens op.. dat zeggen ze van windmolens ook, maar dat is helemaal naast het punt.

Een hoop van deze energie die "er in gestoken" wordt is aan de basis gewoon mensenkracht... als je handmatig een spoel draait en wat hout freest, heb je zo een windmolen die slechts mankracht heeft gekost. Dat er dan meer energie in is gegaan dan hij in zijn leven opbrengt is irrelevant.

Het gaat erom wat voor soort energie er wordt gebruikt om het product te bouwen en wat voor soort energie het vervolgens tijdens zijn leven bespaart of opbrengt.

Nu zal dat bij nanodraden zeer waarschijnlijk allemaal electriciteit zijn (wat het kost en wat het oplevert) dus is mijn redenatie wellicht minder van toepassing. Maar als deze dingen met zijn allen tegelijk in een ge-finetunede fabriek worden gemaakt (bij voorkeur nog met groene energie ook) en vervolgens in ieder huishouden worden geinstalleerd (waar ze dan wellicht vuile energie besparen), dan lijkt me dat het best efficient (en goed voor het milieu) kan zijn.

[sjirafje]

Dit is een mooi voorbeeld van vooruitgang in techniek die gebruikt kan worden om ons milieu wat te ontzien.

[diminator]

ja je komen steeds meer positieve berichten over nanodraden, ik ben benieuwd welke andere ontwikkelingen er nog meer komen en wanneer de ontwikkelingen ook echt in de samenleving kom

[twabi2]

De eerste negatieve berichten zijn er ook al.
Nanopartikels zijn niet bepaald gezond om bijvoorbeeld in te ademen.
Zolang de afvalverwerking enzo goed verloopt ben ik voorstander,
maar ik zit niet op meer asbest-achtige toestanden te wachten.

[Verwijderd]

infrarood straling=fotonen though, maar je hebt gelijk qua de definitie warmte, het gaat hier om de indirecte overdracht ervan

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 1 augustus 2024 20:37]

[Verwijderd]

Wat ik me afvraag is in hoe verre de toevoeging van deze nanodraden een impact gaat hebben op bijvoorbeeld CPU die sizes. Want als ik het goed begrijp word bij dit nieuwe proces de hitte omgezet in elektriciteit? Deze elektriciteit moet dan natuurlijk worden weggeleid, en die verbindingen zouden dan (denk ik) veel ruimte in beslag nemen.

Verder vind ik het een zeer interessante ontwikkeling, zal moedertje natuur blij mee zijn!

[RetepV]

Yang gelooft dat de kartelige randen de stroom van fononen, de deeltjes die de warmte dragen, afremmen.

Als dat verder trekt zou je misschien zelfs wel warmte kunnen opslaan. Daarmee zou je misschien een warmtebatterij kunnen maken. Een soort batterij die hitte opslaat. En die op een later moment weer om kan zetten in electriciteit.

Sowieso zou je het effect misschien kunnen gebruiken om vele malen efficientere bedrading te maken. Bedrading die warmte weer omzet in de beweging van electronen, en zo een interne extra voeding kunnen zijn voor de electronica.

Ik ga nog effe door . Dit duidt er misschien ook op dat je draden kunt maken die ogenschijnlijk minder weerstand hebben, naarmate de temperatuur ervan oploopt.

Oeh, mogelijkheden! En nog geen theorie. Interessant om te zien hoe de theorie uit gaat vallen, en wat daar dan allemaal uit zou moeten kunnen volgen.