Une grande quantité de chaleur est perdue lors de la conversion de l'énergie. Les estimations l'évaluent même à plus de 70 %. Cependant, dans les matériaux thermoélectriques, tels que ceux étudiés à l'Institut de physique du solide de la TU Wien, la chaleur peut être convertie directement en énergie électrique. Cet effet (l'effet Seebeck) peut être utilisé dans de nombreuses applications dans l'industrie mais aussi dans la vie de tous les jours.

Récemment, l'équipe de recherche d'Ernst Bauer a fait une découverte passionnante dans un matériau thermoélectrique composé de fer, de vanadium et d'aluminium (Fe₂ VAL). Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans Nature Communications .

Le thermoélectrique idéal

Pour obtenir le plus grand effet de conversion d'énergie possible, les chercheurs recherchent des matériaux qui remplissent un certain nombre de caractéristiques :ils doivent avoir un effet Seebeck important, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. Cependant, cela est extrêmement difficile car ces propriétés sont interdépendantes et interdépendantes. Les chercheurs se sont donc demandés à quoi devait ressembler physiquement un matériau pour remplir au mieux toutes ces conditions.

Ainsi, les physiciens de TU Wien ont réussi à trouver un nouveau concept pour résoudre cette contradiction et optimiser toutes les propriétés thermoélectriques d'un matériau en même temps. "A la transition dite d'Anderson, une transition de phase quantique des états d'électrons localisés aux états d'électrons mobiles, les conditions pour le thermoélectrique idéal sont remplies. Cela signifie que tous les électrons de conduction ont approximativement la même énergie", rapporte Fabian Garmroudi, premier auteur de la étude.

La transition d'Anderson se produit dans les semi-conducteurs lorsque des atomes d'impuretés sont ajoutés, liant fortement leurs électrons. "Semblable aux banquises en mer, celles-ci sont initialement isolées les unes des autres et ne peuvent pas être piétinées. Cependant, si le nombre de banquises est suffisamment grand, vous avez une connexion continue à travers laquelle vous pouvez traverser la mer", Fabian Garmroudi fait une comparaison. Cela se produit de manière similaire dans les solides :si le nombre d'atomes d'impuretés dépasse une valeur critique, les électrons peuvent soudainement se déplacer librement d'un atome à l'autre et l'électricité peut circuler.

Les atomes changent de place quand il fait chaud

La transition d'Anderson a été démontrée en étroite collaboration avec des chercheurs suédois et japonais ainsi qu'avec l'Université de Vienne, et a été liée pour la première fois à un changement significatif des propriétés thermoélectriques. L'équipe a fait la découverte passionnante en chauffant le matériau à des températures très élevées, proches du point de fusion.

"A haute température, les atomes vibrent si fortement qu'ils échangent parfois leurs positions de réseau. Par exemple, les atomes de fer se trouvent alors là où se trouvaient auparavant les atomes de vanadium. Nous avons réussi à geler cette "confusion atomique", qui se produit à haute température, en -appelé 'quenching', c'est-à-dire un refroidissement rapide dans un bain d'eau », rapporte Ernst Bauer. Ces défauts irréguliers ont exactement le même objectif que les atomes d'impuretés mentionnés précédemment, sans qu'il soit nécessaire de modifier la composition chimique du matériau.

Conversion d'énergie grâce au désordre

Dans de nombreux domaines de recherche de la physique du solide, on s'intéresse aux matériaux les plus purs possibles et ayant une structure cristalline idéale. La raison :la régularité des atomes simplifie une description théorique des propriétés physiques. Dans le cas de Fe₂ VAl, cependant, ce sont précisément les imperfections qui expliquent l'essentiel des performances thermoélectriques. Il a d'ailleurs déjà été démontré dans des disciplines voisines que les irrégularités peuvent être avantageuses :"La recherche fondamentale sur les matériaux quantiques en est un bon exemple. Là, la science a déjà pu montrer que le désordre est souvent l'épice nécessaire dans la 'soupe quantique'". ", explique Andrej Pustogow, l'un des co-auteurs. "Maintenant, ce concept est également arrivé dans la recherche appliquée à l'état solide." + Explorer plus loin

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