Les physiciens ont découvert un nouvel effet, ce qui permet de créer d'excellents isolants thermiques conducteurs de l'électricité. Ces matériaux peuvent être utilisés pour convertir la chaleur perdue en énergie électrique.

Chaque jour, nous perdons de l'énergie précieuse sous forme de chaleur perdue - dans les appareils techniques à la maison, mais aussi dans les grands systèmes énergétiques. Une partie pourrait être récupérée à l'aide de "l'effet thermoélectrique". Le flux de chaleur d'un appareil chaud vers l'environnement froid peut être directement converti en énergie électrique. Pour y parvenir, cependant, des matériaux aux propriétés très particulières sont nécessaires. Ils doivent être de bons conducteurs électriques, mais de mauvais conducteurs thermiques, deux exigences difficiles à concilier.

Les chercheurs du monde entier recherchent de tels matériaux. Certains matériaux à structure en cage se sont révélés particulièrement prometteurs, par exemple les clathrates, qui sont étudiés à la TU Wien. Maintenant, après des enquêtes approfondies, un effet remarquable a été démontré, ce qui peut expliquer la conductivité thermique particulièrement faible de ces matériaux.

Cellules de prison pour atomes

"Les clathrates sont des cristaux avec une structure très particulière, " explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique des solides de l'Université de technologie de Vienne. " Leur réseau cristallin contient de minuscules cages dans lesquelles des atomes individuels sont enfermés. Ces atomes peuvent osciller d'avant en arrière dans leur seule cellule, sans voir grand-chose du reste du cristal."

La chaleur dans un solide est présente sous forme de vibrations de ses atomes. Lorsqu'un cristal est chauffé, les vibrations deviennent plus fortes jusqu'à ce que, à un moment donné, les liaisons entre les atomes sont rompues et le cristal fond. « Il existe deux types de vibrations, " dit Silke Bühler-Paschen. " Si les atomes voisins sont fortement liés entre eux, alors la vibration d'un atome peut être directement transférée à ses voisins et une vague de chaleur se propage à travers le matériau. Plus le couplage entre les atomes est fort, plus la propagation de l'onde est rapide et plus la conduction thermique est importante. Cependant, si un atome n'est que très faiblement lié à ses voisins, tout comme l'atome assis dans la cage clathrate, alors elle est largement indépendante des autres et la canicule est extrêmement lente."

Nouvel effet :la diffusion de phonons de type Kondo

Dans le cadre de sa thèse avec Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda a découvert que c'est grâce à une certaine interaction entre ces deux types de canicule que les clathrates sont de si bons isolants thermiques. Matthias Ikeda a effectué des mesures précises et étendues. Série de cristaux, chacun avec des propriétés légèrement différentes, ont été produits à TU Wien et soigneusement mesurés. "À la fin, nous avons pu prouver ce que personne ne voulait nous croire au début :il existe un effet physique jusqu'alors inconnu qui supprime la conductivité thermique - nous l'appelons la diffusion de phonons de type Kondo, " dit Matthias Ikeda.

En raison de la structure cristalline, un atome dans la cage clathrate vibre préférentiellement dans deux directions spécifiques. "Quand une vague de chaleur arrive, il peut, pour un court instant, entrer dans une sorte d'état lié avec une telle vibration. La vague de chaleur change la direction d'oscillation de l'atome dans la cage clathrate, " dit Silke Bühler-Paschen. " Ce processus ralentit la canicule, et ainsi la conductivité thermique est diminuée. Même si les clathrates conduisent l'électricité, ce sont de bons isolants thermiques."

Un meilleur matériau pour la thermoélectrique

C'est exactement la combinaison des propriétés des matériaux qui est requise pour utiliser l'effet thermoélectrique à l'échelle industrielle. Quelque chose de chaud est connecté à quelque chose de froid en utilisant le bon matériau, et le flux d'énergie entre les deux peut être directement converti en électricité. D'un côté, le matériau doit conduire le courant électrique, mais d'un côté, il ne doit pas équilibrer les températures en conduisant la chaleur trop rapidement, sinon, l'effet ne peut plus être utilisé.

« Le projet a pris beaucoup de temps, en plus de nombreuses expériences, des simulations informatiques approfondies ont dû être développées afin de comprendre les processus physiques quantiques derrière cet effet, " dit Silke Bühler-Paschen. " Mais cela en valait la peine :avec notre concept de diffusion de phonons de type Kondo, il est maintenant beaucoup plus facile de comprendre le comportement des clathrates et nous pouvons donc travailler de manière plus ciblée pour trouver les matériaux les plus efficaces pour les applications thermoélectriques."