Les scientifiques des matériaux de l'Université Duke ont découvert un mécanisme atomique qui rend certains matériaux thermoélectriques incroyablement efficaces près des transitions de phase à haute température. Les informations aideront à combler les lacunes critiques dans les connaissances dans la modélisation informatique de ces matériaux, permettant potentiellement aux chercheurs de découvrir de nouvelles et meilleures options pour les technologies qui reposent sur la transformation de la chaleur en électricité.

Les résultats paraissent en ligne le 4 septembre dans la revue Communication Nature .

Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité lorsque les électrons migrent du côté chaud du matériau vers le côté froid. Parce qu'il est nécessaire de prévoir une différence de température entre ses deux faces, les chercheurs souhaitent essayer d'utiliser ces matériaux pour produire de l'électricité à partir de la chaleur du tuyau d'échappement d'une voiture ou récupérer l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les centrales électriques.

Au cours des deux dernières années, de nouveaux records ont été établis pour l'efficacité thermoélectrique avec un matériau émergent appelé séléniure d'étain et son composé frère, sulfure d'étain. La version sulfure n'est pas encore aussi bonne thermoélectrique, mais il est encore optimisé car il est moins cher à produire et plus respectueux de l'environnement.

Alors que les scientifiques savent que ces deux composés sont d'excellents matériaux thermoélectriques, ils ne savent pas exactement pourquoi. Dans la nouvelle étude, Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke, et deux de ses étudiants diplômés, Tyson Lanigan-Atkins et Shan Yang, essayé de combler un peu ce manque de connaissances.

"Nous voulions essayer de comprendre pourquoi ces matériaux ont une conductivité thermique si faible, ce qui aide à activer les fortes propriétés thermoélectriques pour lesquelles ils sont connus, " a déclaré Delaire. " En utilisant une puissante combinaison de mesures de diffusion des neutrons et de simulations informatiques, nous avons découvert qu'il est lié aux vibrations atomiques du matériau à haute température, que personne n'avait vu auparavant."

Une faible conductivité thermique est un ingrédient nécessaire de tout bon matériau thermoélectrique. Parce que la production d'électricité nécessite un différentiel de chaleur entre ses deux côtés, il est logique que les matériaux qui empêchent la chaleur de se propager à travers eux fonctionnent bien.

Pour avoir une vue des vibrations atomiques du sulfure d'étain en action, Delaire et Lanigan-Atkins ont prélevé des échantillons dans le réacteur à isotope à haut flux du laboratoire national d'Oak Ridge. En faisant ricocher des neutrons sur les atomes du sulfure d'étain et en détectant où ils finissent par la suite, les chercheurs ont pu déterminer où se trouvaient les atomes et comment ils vibraient collectivement dans le réseau cristallin.

Les installations de l'ORNL étaient particulièrement bien adaptées à cette tâche. Parce que les vibrations atomiques du sulfure d'étain sont relativement lentes, les chercheurs ont besoin de neutrons "froids" de basse énergie qui sont suffisamment délicats pour les voir. Et l'ORNL possède certains des meilleurs instruments à neutrons froids au monde.

"Nous avons constaté que le sulfure d'étain a effectivement certains modes de vibration qui sont très 'disquette, '", a déclaré Delaire. "Et que ses propriétés sont liées à l'instabilité inhérente à son réseau cristallin."

A des températures plus basses, le sulfure d'étain est un matériau stratifié avec des grilles déformées d'étain et de sulfure superposées, ondulé comme un accordéon. Mais à des températures proches de son point de transition de phase de 980 degrés Fahrenheit, où fonctionnent souvent les générateurs thermoélectriques, cet environnement déformé commence à se décomposer. Les deux couches, comme par magie, redevenir non déformé et plus symétrique, c'est là que le « flipiness » entre en jeu.

Parce que le matériau ballotte entre les deux dispositions structurelles à haute température, ses atomes ne vibrent plus ensemble comme une corde de guitare bien accordée et deviennent à la place amortis de manière anharmonique. Pour mieux comprendre cela, Pensez à une voiture avec des chocs terribles comme ayant une vibration harmonique - elle continuera à rebondir longtemps après avoir traversé la moindre bosse. Mais des chocs appropriés amortiront cette vibration, le rendant anharmonique et l'empêchant d'osciller pendant longtemps.

"Les ondes de chaleur traversent les vibrations atomiques d'un matériau, " dit Delaire. " Ainsi, lorsque les vibrations atomiques dans le sulfure d'étain deviennent molles, ils ne transmettent pas les vibrations très rapidement et ils ne vibrent pas non plus très longtemps. C'est la cause première de sa capacité à empêcher la chaleur de circuler à l'intérieur."

Avec ces résultats en main, Delaire et Yang ont ensuite cherché à les confirmer et à les comprendre informatiquement. À l'aide de supercalculateurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, Yang était capable de reproduire les mêmes effets anharmoniques à haute température. En plus de confirmer ce qu'ils ont vu dans les expériences, Delaire dit que ces modèles mis à jour permettront aux chercheurs de mieux rechercher de nouveaux matériaux thermoélectriques à utiliser dans les technologies de demain.

"Les chercheurs dans le domaine n'ont pas tenu compte des fortes dépendances de la température vis-à-vis des vitesses de propagation de la chaleur, et cette modélisation montre à quel point cette variable peut être importante, " a déclaré Delaire. " L'adoption de ces résultats et d'autres avancées théoriques permettra aux scientifiques des matériaux de prédire plus facilement d'autres bons matériaux thermoélectriques. "