Meer dan twee derde van alle energie die we opwekken, gaat verloren in de vorm van warmte. Het zou daarom mooi zijn als we een deel van die warmte kunnen terugwinnen door het om te zetten in elektriciteit. Simpel gesteld kun je elektriciteit opwekken door warmte-energie toe te voegen aan een materiaal dat zijn energie niet kwijt kan in de vorm van warmte, maar wel in de vorm van een elektrische stroom.

Voor dergelijke thermo-elektrische apparaten zijn nanodraden in principe heel geschikt, legt natuurkundige Milo Swinkels uit. “Nanodraden zijn duizendmaal dunner dan een mensenhaar. Het idee is dat ze daarmee te dun zijn om goed warmte te geleiden, terwijl elektronen nog wel door structuren van dergelijke afmetingen kunnen bewegen.”

Om uit te vinden hoe warmtetransport in nanodraden in de praktijk precies werkt, maakte Swinkels een speciale chip met twee minuscule warmte-elementen, waartussen hij nanodraden van verschillende afmetingen - en van diverse materialen - plaatste. Er was op dat moment nog maar één andere onderzoeksgroep, in Texas, waar ze dergelijke chips produceerden.

Doormeten nanodraden is bijzonder lastige klus

Dat doormeten van nanodraden is dan ook een bijzonder lastige klus, omdat van de draden zelfs onder de microscoop niet meer te zien is dan een donker vlekje. Toen Swinkels eenmaal een werkend meetsysteem had gebouwd, kreeg hij dan ook al snel nanodraden van collega’s uit Canada, Brazilië en Italië die hun draden wilden laten doormeten.

Swinkels promoveerde in de groep Photonics and Semiconductor Nanophysics. Hier zijn ze er enkele jaren geleden voor het eerst in geslaagd om nanodraden van de halfgeleider galliumfosfide te maken met een bijzondere kristalstructuur die in de natuur niet voorkomt. “Dat bood ons de gelegenheid om het warmtetransport in nanostructuren met uiteenlopende geometrieën te testen.” En hoewel de meeste nanodraden inderdaad slecht warmte geleiden, blijken juist de dunste nanodraden van dit materiaal uitstekende warmtegeleiders.

Een bijzondere en onverwachte uitkomst, maar daarom ook wel leuk, vindt Swinkels. “We denken dat de warmtegeleiding in extreem dunne draden van galliumfosfide zo goed is doordat warmtetrillingen met een hoge frequentie aan het oppervlak van de draad snel uitdoven. Hierdoor wordt alle warmte bij lage frequenties weggeleid.” En die lage frequenties worden nauwelijks uitgedoofd; dat kun je vergelijken met de bassen in de muziek van de buurman. Die dragen ook veel verder dan de hoge tonen.

Tot Swinkels’ tevredenheid sterft zijn werk op de vierkante micrometer geen stille dood - toch altijd een risico als je pioniert in een jong vakgebied. Binnen zijn vakgroep is hij opgevolgd door een postdoc en twee promovendi, waarvan één deels gefinancierd door Shell. “Het is fijn om te zien dat mijn werk niet in het niets verdwijnt.”