Une représentation du réseau cristallin du composé thermoélectrique Mg3Sb2 (atomes de magnésium en orange, antimoine en bleu). Un courant électrique est généré lorsque la chaleur traverse le matériau, propulsé par des ondes phonons. Crédit :ORNL/Jill Hemman
L'atterrissage du rover Perseverance de la NASA a été un autre pas en avant non seulement pour l'exploration spatiale, mais aussi pour la technologie qui alimente l'engin lors de sa mission de plusieurs années sur Mars, un générateur thermoélectrique qui transforme la chaleur en électricité.
À la recherche du prochain saut dans les technologies thermoélectriques, des chercheurs de l'Université Duke et de l'Université d'État du Michigan ont acquis de nouvelles connaissances fondamentales sur deux matériaux à base de magnésium (Mg
Dans leurs recherches, publié dans la revue Avancées scientifiques , l'équipe a utilisé des expériences de diffusion de neutrons et de rayons X dans les laboratoires nationaux d'Oak Ridge (ORNL) et d'Argonne du ministère de l'Énergie (DOE), ainsi que des simulations de superordinateur au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique (NERSC). Des recherches à l'échelle atomique ont révélé l'origine et le mécanisme de la capacité des matériaux à convertir l'énergie thermique à température ambiante en électricité. Les résultats indiquent de nouvelles voies possibles pour améliorer les applications thermoélectriques telles que celles du rover Perseverance et d'une myriade d'autres dispositifs et technologies de génération d'énergie.
Les matériaux thermoélectriques créent essentiellement une tension à partir d'une différence de température entre les côtés chaud et froid du matériau. En convertissant l'énergie thermique en électricité, ou vice versa, les dispositifs thermoélectriques peuvent être utilisés pour la réfrigération ou la production d'électricité à partir de l'échappement de chaleur.
"Les matériaux thermoélectriques traditionnels reposent sur des éléments lourds tels que le plomb, bismuth, et le tellure, éléments peu respectueux de l'environnement, et ils ne sont pas non plus très abondants, donc ils ont tendance à être chers, " a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé à Duke. "Le magnésium par contre est plus léger et plus abondant, ce qui en fait un matériau idéal pour les applications de transport et de vol spatial, par exemple."
Typiquement, Delaire a expliqué, les matériaux plus légers ne sont pas bien adaptés aux conceptions thermoélectriques car leurs conductivités thermiques sont trop élevées, ce qui signifie qu'ils transfèrent trop de chaleur pour maintenir le différentiel de température nécessaire pour produire la tension. Les matériaux plus lourds sont généralement plus souhaitables car ils conduisent moins de chaleur, leur permettant de préserver et de convertir plus efficacement l'énergie thermique.
"Ces matériaux de magnésium, cependant, ont une conductivité thermoélectrique remarquablement faible malgré une faible densité de masse. Ces propriétés pourraient potentiellement ouvrir la porte à la conception de nouveaux types de thermoélectriques qui ne reposent pas sur des matériaux lourds contenant des éléments toxiques, " expliqua Delaire.
Les matériaux de magnésium que l'équipe a étudiés appartiennent à une classe plus large de composés métalliques appelés Zintls. La structure atomique, ou arrangement d'atomes, dans les composés de Zintl est telle qu'il est relativement facile d'expérimenter et de substituer différents éléments dans le matériau, par exemple, remplacer un élément lourd par un élément léger pour obtenir des performances et une fonctionnalité optimales.
« Dans les études chimiques, explorer les possibilités de nouveaux matériaux implique souvent de substituer un élément à un autre juste pour voir ce qui se passe. Habituellement, nous les remplaçons par des éléments chimiquement similaires dans le tableau périodique, et l'un des grands avantages de l'utilisation de Zintls est que nous pouvons expérimenter avec beaucoup d'éléments différents et différentes combinaisons, " a déclaré le premier auteur de l'article, Jingxuan Ding, un étudiant chercheur diplômé dans le groupe de Delaire à Duke. "Personne ne s'attendait à ce que le magnésium soit le meilleur composé, mais lorsque nos collaborateurs de Michigan State l'ont substitué dans les ingrédients des matériaux, nous avons été surpris de constater que c'était en fait le cas, donc la prochaine étape était de découvrir pourquoi. »
Les atomes d'un matériau ne sont pas statiques, ou immobile; ils vibrent avec des amplitudes qui augmentent avec des températures plus élevées. Les vibrations collectives créent un effet d'entraînement, appelé un phonon, qui ressemble à des séries de vagues à la surface d'un étang. Ces ondes sont ce qui transporte la chaleur à travers un matériau, c'est pourquoi la mesure des vibrations des phonons est importante pour déterminer la conductivité thermique d'un matériau.
Les neutrons sont particulièrement adaptés à l'étude des phénomènes quantiques tels que les phonons, car les neutrons n'ont pas de charge et peuvent interagir avec les noyaux. Delaire a comparé les interactions neutroniques au pincement d'une corde de guitare en ce sens qu'elles peuvent transférer de l'énergie aux atomes pour exciter les vibrations et obtenir des informations cachées sur les atomes à l'intérieur d'un matériau.
L'équipe a utilisé le spectromètre de hacheur à large plage angulaire, ou ARCS, à la Spallation Neutron Source (SNS) de l'ORNL pour mesurer les vibrations des phonons. Les données qu'ils ont acquises leur ont permis de retracer la faible conductivité thermique favorable des matériaux à une liaison spéciale de magnésium qui perturbe le trajet des ondes phononiques à travers le matériau en les faisant interférer les unes avec les autres.
"Les neutrons sont l'un des meilleurs moyens de mesurer les vibrations atomiques comme celles que nous étudions dans ces matériaux, " a déclaré Ding. " ARCS peut détecter une large gamme de fréquences et de longueurs d'onde qui nous aide à mesurer les ondes de phonons trouvées dans le matériau, c'est exactement ce dont nous avons besoin pour mieux comprendre le fonctionnement de ces matériaux à faible conductivité thermique."
Les mesures de diffusion des neutrons ont fourni à l'équipe de recherche une vaste étude de la dynamique interne des matériaux de magnésium Zintl qui a aidé à guider et à affiner les simulations informatiques et les expériences de rayons X ultérieures dirigées par Ding. Ceux-ci ont été utilisés pour construire une compréhension complète des origines de la conductivité thermique des matériaux.
Des expériences de rayons X complémentaires à la source de photons avancée (APS) d'Argonne ont été utilisées pour zoomer sur des modes de phonons spécifiques dans des échantillons de cristaux trop petits pour les mesures de neutrons. Les mesures des neutrons et des rayons X concordaient avec les simulations de superordinateur effectuées au NERSC.
En plus de Ding et Delaire, les coauteurs de l'article incluent Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman a dit, et Alexandra Zevalkink.
« La thermoélectrique est essentielle dans des applications comme le rover Mars Perseverance qui nécessitent des applications plus simples, des conceptions plus légères et fiables au lieu des moteurs encombrants avec des pièces mobiles qui sont traditionnellement utilisés pour générer de l'électricité à partir de la chaleur, ", a déclaré Delaire. "Ces matériaux à base de magnésium sont une grande avancée dans le domaine qui pourraient offrir une efficacité énergétique nettement supérieure et beaucoup de potentiel pour des applications thermoélectriques plus avancées."
