Explorer une zone négligée par d'autres scientifiques, des physiciens du Laboratoire national de champ magnétique élevé, dont le siège est à l'Université d'État de Floride, ont découvert qu'une classe de matériaux appelés « 1-2-20 » ont des propriétés thermoélectriques très prometteuses, ouvrant les vannes pour de plus amples recherches sur ces matériaux fascinants.

L'étude a été publiée dans Avancées scientifiques .

Les appareils thermoélectriques peuvent produire de l'électricité s'il y a une différence de température entre les deux extrémités. Ils peuvent aussi faire le contraire :utiliser l'électricité pour absorber ou libérer de la chaleur. Cette propriété a de nombreuses applications potentielles, de la réfrigération sans compresseur à la production d'électricité dans l'espace à la récupération de toute l'énergie gaspillée par les moteurs de voiture (environ 40 %) qui s'échappe par la chaleur.

"Ce n'est pas de l'énergie gratuite, " a déclaré Ryan Baumbach, physicien du MagLab, auteur correspondant sur le papier, "mais c'est la prochaine meilleure chose."

La plupart des matériaux ont très peu d'effet thermoélectrique. C'est parce que le transfert d'électricité à travers un matériau et le transfert de chaleur vont généralement de pair. En général, la nature veut garder la chaleur et la conductivité électrique liées, mais pour avoir de bonnes performances thermoélectriques, ces deux propriétés doivent être découplées.

Il y a environ deux ans, Baumbach a suggéré que Kaya Wei, le boursier postdoctoral Jack Crow du MagLab et membre du groupe de recherche de Baumbach, étudier un matériau "1-2-20" qui semblait être un bon candidat pour la thermoélectricité.

Le matériau spécifique proposé par Baumbach comportait trois ingrédients de base dans un rapport « 1-2-20 » :l'élément ytterbium ; un métal de transition (soit du cobalt, rhodium ou iridium); et l'élément zinc. Baumbach avait le pressentiment que ce composé avait ce qu'il faut, s'il est manipulé correctement dans son laboratoire, faire un pied de nez à la nature et dissocier la conductivité thermique de la conductivité thermique.

En utilisant des fours à haute température dans le laboratoire de Baumbach, Wei a synthétisé le composé sous forme cristalline et a soumis les échantillons à un gant de mesures. Les résultats ont confirmé que, à basse température, le matériau était en fait un matériau thermoélectrique prometteur.

Ensuite, il était temps de commencer à jouer avec les variables pour voir ce qu'elles pourraient découvrir d'autre.

"Des compositions différentes favorisent des propriétés physiques assez différentes, " dit Wei, l'auteur principal du journal.

Construire un meilleur thermoélectrique

Les chercheurs voulaient fabriquer un matériau aussi optimisé thermoélectriquement qu'ils le pouvaient, une propriété représentée par un paramètre appelé la figure de mérite thermoélectrique (ou ZT). Pour faire ça, ils avaient besoin de peaufiner leur cristal pour :1. Maximiser sa conductivité électrique; 2. Minimiser sa conductivité thermique; et 3. Développer une tension élevée lorsqu'un faible gradient de température est appliqué (c'est-à-dire, lorsqu'une extrémité est légèrement plus chaude que l'autre), une propriété mesurée par une valeur appelée coefficient de Seebeck.

Le premier objectif était le plus simple :le matériau était déjà un bon conducteur en grande partie grâce au zinc et au métal de transition.

Les autres buts étaient plus compliqués. Pour atteindre la seconde, les scientifiques avaient besoin de saboter les phonons qui sont en grande partie responsables du transport de la chaleur. Les phonons sont des vibrations qui se propagent à travers le réseau atomique tridimensionnel d'un matériau :de cette façon, l'énergie absorbée par un atome peut onduler, atome à atome, sur l'ensemble du matériau.

Heureusement, inhérent à la structure même des matériaux 1-2-20 était un moyen de dresser des barrages routiers massifs de phonons.

Le cristal fabriqué par Wei avait une structure en forme de cage comprenant 20 atomes de zinc qui abritaient un atome d'ytterbium. L'atome d'ytterbium vibre dans la cage, interférant avec la capacité des phonons à dissiper la chaleur à travers le matériau.

La grande cellule unitaire du cristal renforce cet effet. Les phonons sont dispersés dans tous les sens.

L'ytterbium prête un autre ingrédient important au succès thermoélectrique du composé. Il contient une sorte d'électron appelé "électron f". Sans devenir trop mécanique quantique, Les électrons f ont tendance à rester suffisamment près du noyau pour conserver un caractère magnétique. Dans l'ytterbium et quelques autres cas particuliers, cependant, les électrons f oscillent entre s'agripper au noyau et s'aventurer vers les atomes voisins.

"Les électrons de l'ytterbium f sont particuliers car ils ont une dualité entre être localisés et délocalisés, " a expliqué Baumbach. " Cela permet de tenir compte du grand coefficient Seebeck du matériau. "

Prochaines étapes

Maintenant qu'ils ont découvert et mieux compris cette recette de la thermoélectricité, Baumbach et Wei explorent plus loin.

Les valeurs ZT des composés qu'ils ont testés culminent à des températures très basses, environ -400 degrés Fahrenheit ou -240 degrés Celsius. Cela serait utile dans l'espace ou pour d'autres applications à basse température uniquement. Mais en expérimentant avec les ingrédients spécifiques dans leurs 1-2-20s, les scientifiques disent qu'ils peuvent obtenir des résultats différents.

"Il y a tellement de variantes chimiques pour la famille de composés 1-2-20, " Wei a dit. " Ce n'est pas seulement que vous changeriez 100 pour cent d'un élément ou d'un autre, mais vous pouvez faire une substitution chimique. Et notre espoir est, en faisant ça, nous pourrons nous déplacer autour de la température où la valeur ZT culmine et trouver des matériaux pour différentes applications."

Bien que satisfaits de leur succès, Baumbach et Wei semblent encore plus excités d'avoir ouvert une toute nouvelle boîte de vers avec leur science qui attirera des troupeaux d'autres chercheurs.

"Ces types ne sont que quelques exemples d'une très grande famille de matériaux, " a déclaré Baumbach. "Nous pensons que ce travail va susciter beaucoup d'intérêt de la part de groupes extérieurs au nôtre."