Un nouveau type de matériau génère du courant électrique très efficacement à partir des différences de température. Cela permet aux capteurs et aux petits processeurs de s'alimenter en énergie sans fil.

Les matériaux thermoélectriques peuvent convertir la chaleur en énergie électrique. Cela est dû à ce qu'on appelle l'effet Seebeck :s'il y a une différence de température entre les deux extrémités d'un tel matériau, une tension électrique peut être générée et le courant peut commencer à circuler. La quantité d'énergie électrique qui peut être générée à une différence de température donnée est mesurée par la valeur dite ZT :plus la valeur ZT d'un matériau est élevée, meilleures sont ses propriétés thermoélectriques.

Les meilleurs thermoélectriques à ce jour ont été mesurés à des valeurs ZT d'environ 2,5 à 2,8. Les scientifiques de la TU Wien (Vienne) ont maintenant réussi à développer un tout nouveau matériau avec une valeur ZT de 5 à 6. Il s'agit d'une fine couche de fer, vanadium, tungstène et aluminium appliqués à un cristal de silicium.

Le nouveau matériau est si efficace qu'il pourrait être utilisé pour fournir de l'énergie à des capteurs ou même à de petits processeurs informatiques. Au lieu de connecter de petits appareils électriques à des câbles, ils pourraient produire leur propre électricité à partir des différences de température. Le nouveau matériel a maintenant été présenté dans la revue La nature .

Électricité et température

"Un bon matériau thermoélectrique doit montrer un fort effet Seebeck, et il doit répondre à deux exigences importantes qui sont difficiles à concilier, " déclare le professeur Ernst Bauer de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. " D'une part, il doit conduire l'électricité aussi bien que possible; d'autre part, il doit transporter le moins possible la chaleur. C'est un défi car la conductivité électrique et la conductivité thermique sont généralement étroitement liées."

Au Laboratoire Christian Doppler de Thermoélectricité, qu'Ernst Bauer a créé à la TU Wien en 2013, différents matériaux thermoélectriques pour différentes applications ont été étudiés au cours des dernières années. Ces recherches ont aujourd'hui conduit à la découverte d'un matériau particulièrement remarquable :une combinaison de fer, vanadium, tungstène et aluminium.

"Les atomes de ce matériau sont généralement disposés selon un motif strictement régulier dans ce qu'on appelle un réseau cubique à faces centrées, " dit Ernst Bauer. " La distance entre deux atomes de fer est toujours la même, et il en est de même pour les autres types d'atomes. L'ensemble du cristal est donc parfaitement régulier."

Cependant, lorsqu'une fine couche du matériau est appliquée sur du silicium, il se passe quelque chose d'étonnant :la structure change radicalement. Bien que les atomes forment toujours un motif cubique, ils sont maintenant disposés dans une structure centrée sur l'espace, et la distribution des différents types d'atomes devient complètement aléatoire. "Deux atomes de fer peuvent s'asseoir l'un à côté de l'autre, les places à côté peuvent être occupées par du vanadium ou de l'aluminium, et il n'y a plus de règle qui dicte où se trouve le prochain atome de fer dans le cristal, " explique Bauer.

Ce mélange de régularité et d'irrégularité de l'arrangement atomique modifie également la structure électronique, qui détermine comment les électrons se déplacent dans le solide. "La charge électrique se déplace à travers le matériau d'une manière spéciale, afin qu'il soit protégé des processus de diffusion. Les portions de charge traversant le matériau sont appelées Weyl Fermions, " dit Ernst Bauer. De cette façon, une très faible résistance électrique est obtenue.

Vibrations du réseau, d'autre part, qui transportent la chaleur des lieux de haute température vers les lieux de basse température, sont inhibés par les irrégularités de la structure cristalline. Par conséquent, la conductivité thermique diminue. Ceci est important si l'énergie électrique doit être générée en permanence à partir d'une différence de température, car si les différences de température pouvaient s'équilibrer très rapidement et que l'ensemble du matériau aurait bientôt la même température partout, l'effet thermoélectrique s'arrêterait.

L'électricité pour l'Internet des objets

"Bien sûr, une couche aussi mince ne peut pas générer une quantité d'énergie particulièrement importante, mais il a l'avantage d'être extrêmement compact et adaptable, " dit Ernst Bauer. " Nous voulons l'utiliser pour fournir de l'énergie aux capteurs et aux petites applications électroniques. " La demande pour de tels générateurs à petite échelle augmente rapidement :dans " l'Internet des objets, " de plus en plus d'appareils sont reliés en ligne afin qu'ils coordonnent automatiquement leur comportement entre eux. Ceci est particulièrement prometteur pour les futures usines de production, où une machine doit réagir dynamiquement à une autre.

"Si vous avez besoin d'un grand nombre de capteurs dans une usine, vous ne pouvez pas les connecter tous ensemble. Il est beaucoup plus intelligent pour les capteurs de pouvoir générer leur propre énergie à l'aide d'un petit appareil thermoélectrique, " dit Bauer.