D'après une estimation officielle, fabrication américaine, transport, les consommateurs résidentiels et commerciaux n'utilisent qu'environ 40 pour cent de l'énergie qu'ils consomment, gaspiller 60 pour cent. Très souvent, cette énergie gaspillée s'échappe sous forme de chaleur, ou l'énergie thermique, d'une technologie inefficace qui ne parvient pas à récolter cette puissance potentielle.

Maintenant, une équipe de l'Université du Massachusetts Amherst dirigée par le chimiste Dhandapani Venkataraman, "DV, " et l'ingénieur électricien Zlatan Aksamija, rapport ce mois-ci dans Communication Nature sur une avancée qu'ils esquissent vers plus d'efficacité, moins cher, récupération d'énergie thermique à base de polymères.

"Ce sera une surprise pour le terrain, " DV prédit, « cela nous donne une autre variable clé que nous pouvons modifier pour améliorer l'efficacité thermoélectrique des polymères. Cela devrait nous faire, et d'autres, regardez les thermo-électriques polymères sous un nouveau jour."

Aksamija explique, « L'utilisation de polymères pour convertir l'énergie thermique en électricité en récupérant la chaleur résiduelle a suscité un regain d'intérêt ces dernières années. La chaleur résiduelle représente à la fois un problème mais aussi une ressource ; plus votre processus gaspille de chaleur, moins elle est efficace. » La récupération de la chaleur résiduelle est moins difficile lorsqu'il y a un local, source de gradient à haute température avec laquelle travailler, il ajoute, comme une source de chaleur de haute qualité comme une centrale électrique.

Les polymères thermoélectriques sont moins efficaces pour récupérer la chaleur que les polymères rigides, des méthodes inorganiques coûteuses à produire et pourtant assez efficaces, Aksamija ajoute, mais les polymères valent la peine d'être recherchés car ils sont moins chers à produire et peuvent être enduits de matériaux flexibles - pour envelopper la cheminée d'échappement d'une centrale électrique, par exemple.

Récemment, les scientifiques se sont attaqués à cet obstacle avec un processus appelé « dopage ». Avec ça, les chercheurs mélangent des composants chimiques ou autres dans des polymères pour améliorer leur capacité à déplacer des charges électriques et augmenter leur efficacité. DV dit, "Imaginez que nous ayons ajouté des pépites de chocolat, un matériau qui améliore la conductivité, à un cookie. C'est du dopage."

Mais le dopage implique un compromis, ajoute Aksamija. Il peut soit atteindre plus de courant et moins de tension induite thermiquement, ou plus de tension et moins de courant, mais pas les deux. "Si vous améliorez une propriété, tu aggraves l'autre, " il explique, "et cela peut demander beaucoup d'efforts pour décider du meilleur équilibre, " ou le dopage optimal.

Pour remédier à ce, DV et son doctorat en chimie étudiant Connor Boyle, avec Aksamija et son doctorat en génie électrique. l'étudiant Meenakshi Upadhyaya a travaillé dans ce que DV appelle « une véritable collaboration, " où chaque aperçu des simulations numériques a informé la prochaine série d'expériences, et vice versa.

Les chimistes ont mené des expériences, tandis que l'équipe d'ingénierie a effectué des analyses d'efficacité le long de la courbe allant du « zéro dopage » au « dopage maximal » pour identifier le meilleur équilibre pour de nombreux matériaux différents. Pour le nombre massif de simulations qu'ils ont exécutées pour tester des centaines de scénarios, ils ont utilisé le Massachusetts Green High Performance Computing Center à Holyoke, à proximité.

dit Aksamija. "Nous pouvons maintenant vous dire, pour chaque matériau donné, quel est l'équilibre optimal des deux propriétés, et pendant un moment, les gens se contentaient de savoir cela. » Mais en cours de route, il ajoute, ils ont découvert une variable entièrement nouvelle qui n'avait pas encore été prise en compte, celui qui s'est avéré essentiel pour la capacité du polymère dopé à récupérer efficacement l'énergie thermique.

Il dit, "L'analyse initiale n'a pas abordé la question de la position des composants dopants, si les matériaux s'agglutinent ou non et dans quelle mesure ils s'agglutinent, ou cluster, comme nous l'appelons. Il s'avère que le regroupement est une variable critique. » L'équipe s'est tournée vers le chimiste Michael Barnes, un co-auteur de leur article récent, qui a utilisé Kelvin Probe Force Microscopy pour sonder les dopants au niveau nano et montrer que le clustering est bien présent dans les polymères dopés à température ambiante, mais pas à des températures plus élevées.

Avec cette confirmation, les chercheurs se sont tournés vers la modélisation d'une courbe de compromis élargie, dit Upadhyaya. De leur modélisation théorique, elle et Aksamija ont découvert que le regroupement modifie la forme de cette courbe. Pour améliorer l'efficacité au-delà du compromis courant-tension, il faut déplacer toute la courbe de compromis, elle dit.

Cette découverte inattendue devrait ouvrir une nouvelle voie pour la conception de polymères plus efficaces pour les dispositifs thermoélectriques, disent les chercheurs. DV note que jusqu'à présent, les chimistes et les scientifiques des matériaux ont essayé d'organiser les polymères pour qu'ils ressemblent davantage aux inorganiques, "bien aligné et très régulier, ce qui est difficile à faire, " ajoute-t-il. " Il s'avère que ce n'est peut-être pas la voie à suivre; vous pouvez prendre une autre route ou une autre approche. Nous espérons que cet article fournira une base pour faire avancer les thermo-électriques à base de polymères. »