Les mêmes chercheurs qui ont été les pionniers de l'utilisation d'un effet de mécanique quantique pour convertir la chaleur en électricité ont trouvé comment faire fonctionner leur technique sous une forme plus adaptée à l'industrie.

Dans Communication Nature , des ingénieurs de l'Ohio State University décrivent comment ils ont utilisé le magnétisme sur un composite de nickel et de platine pour amplifier la tension de sortie 10 fois ou plus - pas dans un film mince, comme ils l'avaient fait auparavant, mais dans un morceau de matériau plus épais qui ressemble plus aux composants des futurs appareils électroniques.

De nombreux appareils électriques et mécaniques, tels que les moteurs de voiture, produisent de la chaleur en tant que sous-produit de leur fonctionnement normal. C'est ce qu'on appelle "la chaleur perdue, " et son existence est requise par les lois fondamentales de la thermodynamique, a expliqué le co-auteur de l'étude Stephen Boona.

Mais un domaine de recherche en pleine croissance appelé thermoélectrique à semi-conducteurs vise à capturer cette chaleur perdue à l'intérieur de matériaux spécialement conçus pour générer de l'énergie et augmenter l'efficacité énergétique globale.

"Plus de la moitié de l'énergie que nous utilisons est gaspillée et pénètre dans l'atmosphère sous forme de chaleur, " dit Boona, chercheur postdoctoral à l'Ohio State. "Les thermoélectriques à semi-conducteurs peuvent nous aider à récupérer une partie de cette énergie. Ces appareils n'ont pas de pièces mobiles, ne s'use pas, sont robustes et ne nécessitent aucun entretien. Malheureusement, à ce jour, ils sont également trop chers et pas assez efficaces pour justifier une utilisation généralisée. Nous travaillons pour changer cela."

En 2012, le même groupe de recherche de l'État de l'Ohio, dirigé par Joseph Heremans, ont démontré que les champs magnétiques pouvaient stimuler un effet de mécanique quantique appelé effet de spin Seebeck, et à son tour augmenter la tension de sortie des films minces fabriqués à partir de matériaux nanostructurés exotiques de quelques microvolts à quelques millivolts.

Dans cette dernière avancée, ils ont augmenté la production d'un composite de deux métaux très communs, nickel avec une pincée de platine, de quelques nanovolts à des dizaines ou des centaines de nanovolts - une tension plus petite, mais dans un dispositif beaucoup plus simple qui ne nécessite aucune nanofabrication et peut être facilement mis à l'échelle pour l'industrie.

Heremans, professeur de génie mécanique et aérospatial et Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology, dit que, dans une certaine mesure, utiliser la même technique dans des pièces plus épaisses a nécessité que lui et son équipe repensent les équations qui régissent la thermodynamique et la thermoélectricité, qui ont été développés avant que les scientifiques ne connaissent la mécanique quantique. Et tandis que la mécanique quantique concerne souvent les photons - ondes et particules de lumière - les recherches de Heremans concernent les magnons - ondes et particules de magnétisme.

"Essentiellement, la thermodynamique classique couvre les machines à vapeur qui utilisent la vapeur comme fluide de travail, ou des moteurs à réaction ou des moteurs de voiture qui utilisent l'air comme fluide de travail. Les thermoélectriques utilisent des électrons comme fluide de travail. Et dans ce travail, nous utilisons des quanta de magnétisation, ou 'magnons, ' comme fluide de travail, " dit Heremans.

Les recherches en thermodynamique à base de magnon se faisaient jusqu'à présent toujours dans des couches minces, peut-être de quelques atomes d'épaisseur seulement, et même les films les plus performants produisent de très faibles tensions.

Dans l'article de 2012, son équipe a décrit frapper des électrons avec des magnons pour les pousser à travers des matériaux thermoélectriques. Dans le document actuel de Nature Communications, ils ont montré que la même technique peut être utilisée dans des pièces en vrac de matériaux composites pour améliorer encore la récupération de la chaleur perdue.

Au lieu d'appliquer une fine couche de platine sur un matériau magnétique comme ils auraient pu le faire auparavant, les chercheurs ont distribué une très petite quantité de nanoparticules de platine au hasard dans un matériau magnétique - dans ce cas, nickel. Le composite résultant a produit une sortie de tension améliorée en raison de l'effet Seebeck de spin. Cela signifie que pour une quantité de chaleur donnée, le matériau composite a généré plus d'énergie électrique que l'un ou l'autre matériau ne pourrait le faire seul. Puisque toute la pièce de composite est électriquement conductrice, d'autres composants électriques peuvent en tirer la tension avec une efficacité accrue par rapport à un film.

Bien que le composite ne fasse pas encore partie d'un appareil du monde réel, Heremans est convaincu que la preuve de principe établie par cette étude inspirera d'autres recherches qui pourraient conduire à des applications pour les générateurs de chaleur résiduelle courants, y compris les moteurs de voitures et d'avions. L'idée est très générale, il ajouta, et peut être appliqué à une variété de combinaisons de matériaux, permettant des approches entièrement nouvelles qui ne nécessitent pas de métaux coûteux comme le platine ou des procédures de traitement délicates comme la croissance de couches minces.