Et si vous pouviez faire fonctionner votre climatiseur sans électricité conventionnelle, mais sur la chaleur du soleil pendant une chaude journée d'été ? Avec les progrès de la technologie thermoélectrique, cette solution durable pourrait un jour devenir une réalité.

Les appareils thermoélectriques sont fabriqués à partir de matériaux capables de convertir une différence de température en électricité, sans nécessiter de pièces mobiles, une qualité qui fait de la thermoélectricité une source d'électricité potentiellement attrayante. Le phénomène est réversible :si de l'électricité est appliquée à un appareil thermoélectrique, il peut produire une différence de température. Aujourd'hui, les dispositifs thermoélectriques sont utilisés pour des applications de puissance relativement faible, comme l'alimentation de petits capteurs le long des oléoducs, batterie de secours des sondes spatiales, et des mini-réfrigérateurs de refroidissement.

Mais les scientifiques espèrent concevoir des dispositifs thermoélectriques plus puissants qui récupèreront la chaleur – produite en tant que sous-produit des processus industriels et des moteurs à combustion – et transformeront cette chaleur autrement gaspillée en électricité. Cependant, l'efficacité des appareils thermoélectriques, ou la quantité d'énergie qu'ils sont capables de produire, est actuellement limité.

Maintenant, les chercheurs du MIT ont découvert un moyen de tripler cette efficacité, utilisant des matériaux "topologiques", qui ont des propriétés électroniques uniques. Alors que des travaux antérieurs ont suggéré que les matériaux topologiques peuvent servir de systèmes thermoélectriques efficaces, il y a eu peu de compréhension quant à la façon dont les électrons dans de tels matériaux topologiques se déplaceraient en réponse aux différences de température afin de produire un effet thermoélectrique.

Dans un article publié cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les chercheurs du MIT identifient la propriété sous-jacente qui fait de certains matériaux topologiques un matériau thermoélectrique potentiellement plus efficace, par rapport aux appareils existants.

"Nous avons découvert que nous pouvons repousser les limites de ce matériau nanostructuré d'une manière qui fait des matériaux topologiques un bon matériau thermoélectrique, plus que les semi-conducteurs conventionnels comme le silicium, " dit Te-Huan Liu, un post-doctorat au département de génie mécanique du MIT. "À la fin, cela pourrait être un moyen d'énergie propre pour nous aider à utiliser une source de chaleur pour produire de l'électricité, ce qui réduira notre rejet de dioxyde de carbone."

Liu est le premier auteur du PNAS papier, qui comprend les étudiants diplômés Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, et Qichen Song; Mingda Li, professeur adjoint au Département de science et de génie nucléaires; ancien étudiant diplômé Bolin Liao, maintenant professeur assistant à l'Université de Californie à Santa Barbara; Liang Fu, le professeur agrégé de physique Biedenharn; et Gang Chen, le professeur Soderberg et chef du département de génie mécanique.

Un chemin parcouru librement

Lorsqu'un matériau thermoélectrique est exposé à un gradient de température, par exemple, une extrémité est chauffée, tandis que l'autre est refroidi - les électrons de ce matériau commencent à s'écouler de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide, générer un courant électrique. Plus la différence de température est grande, plus le courant électrique est produit, et plus la puissance est générée. La quantité d'énergie qui peut être générée dépend des propriétés particulières de transport des électrons dans un matériau donné.

Les scientifiques ont observé que certains matériaux topologiques peuvent être transformés en dispositifs thermoélectriques efficaces grâce à la nanostructuration, une technique que les scientifiques utilisent pour synthétiser un matériau en modelant ses caractéristiques à l'échelle du nanomètre. Les scientifiques ont pensé que l'avantage thermoélectrique des matériaux topologiques provenait d'une conductivité thermique réduite dans leurs nanostructures. Mais on ne sait pas comment cette amélioration de l'efficacité se connecte avec le matériau inhérent, propriétés topologiques.

Pour essayer de répondre à cette question, Liu et ses collègues ont étudié les performances thermoélectriques du tellurure d'étain, un matériau topologique connu pour être un bon matériau thermoélectrique. Les électrons du tellurure d'étain présentent également des propriétés particulières qui imitent une classe de matériaux topologiques connus sous le nom de matériaux de Dirac.

L'équipe visait à comprendre l'effet de la nanostructuration sur les performances thermoélectriques du tellurure d'étain, en simulant la façon dont les électrons se déplacent à travers le matériau. Pour caractériser le transport électronique, les scientifiques utilisent souvent une mesure appelée « moyenne voie libre, " ou la distance moyenne qu'un électron avec une énergie donnée parcourrait librement dans un matériau avant d'être dispersé par divers objets ou défauts dans ce matériau.

Les matériaux nanostructurés ressemblent à un patchwork de minuscules cristaux, chacun avec des frontières, connu sous le nom de joints de grains, qui séparent un cristal d'un autre. Lorsque les électrons rencontrent ces frontières, ils ont tendance à se disperser de diverses manières. Les électrons avec de longs trajets libres moyens se disperseront fortement, comme des balles ricochant sur un mur, tandis que les électrons avec des parcours libres moyens plus courts sont beaucoup moins affectés.

Dans leurs simulations, les chercheurs ont découvert que les caractéristiques des électrons du tellurure d'étain ont un impact significatif sur leur libre parcours moyen. Ils ont tracé la gamme d'énergies électroniques du tellurure d'étain par rapport aux libres parcours moyens associés, et a découvert que le graphique résultant était très différent de ceux de la plupart des semi-conducteurs conventionnels. Spécifiquement, pour le tellurure d'étain et éventuellement d'autres matériaux topologiques, les résultats suggèrent que les électrons avec une énergie plus élevée ont un libre parcours moyen plus court, tandis que les électrons de plus faible énergie possèdent généralement un libre parcours moyen plus long.

L'équipe a ensuite examiné comment ces propriétés électroniques affectent les performances thermoélectriques du tellurure d'étain, en additionnant essentiellement les contributions thermoélectriques des électrons avec des énergies différentes et des parcours libres moyens. Il s'avère que la capacité du matériau à conduire l'électricité, ou générer un flux d'électrons, sous gradient de température, dépend en grande partie de l'énergie des électrons.

Spécifiquement, ils ont découvert que les électrons de faible énergie ont tendance à avoir un impact négatif sur la génération d'une différence de tension, et donc du courant électrique. Ces électrons de faible énergie ont également des parcours libres moyens plus longs, ce qui signifie qu'ils peuvent être diffusés par les joints de grains plus intensément que les électrons de plus haute énergie.

Dimensionner vers le bas

Aller plus loin dans leurs simulations, l'équipe a joué avec la taille des grains individuels de tellurure d'étain pour voir si cela avait un effet sur le flux d'électrons sous un gradient de température. Ils ont découvert que lorsqu'ils diminuaient le diamètre d'un grain moyen à environ 10 nanomètres, rapprocher ses frontières, ils ont observé une contribution accrue des électrons de plus haute énergie.

C'est-à-dire, avec des granulométries plus petites, les électrons de plus haute énergie contribuent beaucoup plus à la conduction électrique du matériau que les électrons de plus faible énergie, car ils ont des parcours libres moyens plus courts et sont moins susceptibles de se disperser contre les joints de grains. Cela se traduit par une plus grande différence de tension qui peut être générée.

Quoi de plus, les chercheurs ont découvert que la réduction de la taille moyenne des grains du tellurure d'étain à environ 10 nanomètres produisait trois fois la quantité d'électricité que le matériau aurait produite avec des grains plus gros.

Liu dit que même si les résultats sont basés sur des simulations, les chercheurs peuvent obtenir des performances similaires en synthétisant du tellurure d'étain et d'autres matériaux topologiques, et l'ajustement de leur taille de grain à l'aide d'une technique de nanostructuration. D'autres chercheurs ont suggéré que la réduction de la taille des grains d'un matériau pourrait augmenter ses performances thermoélectriques, mais Liu dit qu'ils ont principalement supposé que la taille idéale serait bien supérieure à 10 nanomètres.

« Dans nos simulations, nous avons découvert que nous pouvons réduire la taille des grains d'un matériau topologique beaucoup plus qu'on ne le pensait auparavant, et sur la base de ce concept, nous pouvons augmenter son efficacité, " dit Liu.

Le tellurure d'étain n'est qu'un exemple des nombreux matériaux topologiques qui n'ont pas encore été explorés. Si les chercheurs peuvent déterminer la granulométrie idéale pour chacun de ces matériaux, Liu dit que les matériaux topologiques pourraient bientôt être viables, alternative plus efficace à la production d'énergie propre.

"Je pense que les matériaux topologiques sont très bons pour les matériaux thermoélectriques, et nos résultats montrent qu'il s'agit d'un matériau très prometteur pour de futures applications, " dit Liu.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.