(PhysOrg.com) -- Ordinateurs, ampoules, et même les gens produisent de la chaleur, une énergie qui finit par être gaspillée. Avec un appareil thermoélectrique, qui convertit la chaleur en électricité et vice versa, vous pouvez exploiter cette énergie autrement gaspillée. Les appareils thermoélectriques sont proposés pour être utilisés dans de nouveaux réfrigérateurs efficaces, et d'autres machines de refroidissement ou de chauffage. Mais les conceptions actuelles ne sont pas assez efficaces pour une utilisation commerciale généralisée ou sont fabriquées à partir de matériaux rares, coûteux et nocifs pour l'environnement.

Des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont mis au point un nouveau type de matériau :fabriqué à partir de silicium, le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre, ce qui pourrait conduire à des dispositifs thermoélectriques plus efficaces. Le matériau, un type de nanomesh, est composé d'un film mince avec un agencement en forme de grille de minuscules trous. Cette conception unique rend difficile le passage de la chaleur à travers le matériau, abaissant sa conductivité thermique à près de la limite théorique du silicium. À la fois, la conception permet à l'électricité de circuler aussi bien que dans le silicium non modifié.

"En termes de contrôle de la conductivité thermique, ce sont des appareils assez sophistiqués, " dit James Heath, le professeur Elizabeth W. Giloon et professeur de chimie à Caltech, qui a dirigé les travaux. Un article sur la recherche sera publié dans le numéro d'octobre de la revue Nature Nanotechnologie .

Une stratégie majeure pour rendre les matériaux thermoélectriques économes en énergie consiste à abaisser la conductivité thermique sans affecter la conductivité électrique, c'est à quel point l'électricité peut voyager à travers la substance. Heath et ses collègues avaient déjà réalisé cela en utilisant des nanofils de silicium, des fils de silicium 10 à 100 fois plus étroits que ceux actuellement utilisés dans les puces informatiques. Les nanofils fonctionnent en empêchant la chaleur tout en permettant aux électrons de circuler librement.

Dans n'importe quel matériau, la chaleur se déplace via des phonons - des paquets de vibrations quantifiés qui s'apparentent à des photons, qui sont eux-mêmes des paquets quantifiés d'ondes lumineuses. Pendant que les phonons glissent le long du matériau, ils délivrent de la chaleur d'un point à un autre. Nanofils, en raison de leurs petites tailles, ont beaucoup de surface par rapport à leur volume. Et comme les phonons dispersent les surfaces et les interfaces, il leur est plus difficile de traverser un nanofil sans rebondir. Par conséquent, un nanofil résiste au flux de chaleur mais reste électriquement conducteur.

Mais créer des nanofils de plus en plus étroits n'est efficace que jusqu'à un certain point. Si le nanofil est trop petit, il aura tellement de surface relative que même les électrons se disperseront, provoquant une chute de la conductivité électrique et annulant les avantages thermoélectriques de la diffusion des phonons.

Pour contourner ce problème, l'équipe de Caltech a construit un matériau nanomesh à partir d'une feuille de silicium de 22 nanomètres d'épaisseur. (Un nanomètre est un milliardième de mètre.) La feuille de silicium est convertie en un maillage, semblable à un minuscule écran de fenêtre, avec un réseau très régulier de trous de 11 ou 16 nanomètres de large espacés de seulement 34 nanomètres.

Au lieu de disperser les phonons qui le traversent, le nanomesh modifie le comportement de ces phonons, essentiellement les ralentir. Les propriétés d'un matériau particulier déterminent la vitesse à laquelle les phonons peuvent aller, et il s'avère que - en silicium au moins - la structure maillée abaisse cette vitesse limite. En ce qui concerne les phonons, le nanomesh n'est plus du tout en silicium. "Le nanomesh ne se comporte plus de manière typique du silicium, " dit Slobodan Mitrovic, un chercheur postdoctoral en chimie à Caltech. Mitrovic et l'étudiante diplômée de Caltech Jen-Kan Yu sont les premiers auteurs sur le Nature Nanotechnologie papier.

Lorsque les chercheurs ont comparé le nanomesh aux nanofils, ils ont découvert que, malgré un rapport surface/volume beaucoup plus élevé, les nanofils étaient toujours deux fois plus conducteurs thermiquement que le nanomesh. Les chercheurs suggèrent que la diminution de la conductivité thermique observée dans le nanomesh est en effet causée par le ralentissement des phonons, et non par la diffusion de phonons sur la surface du maillage. L'équipe a également comparé le nanomesh à un film mince et à une feuille de silicium en forme de grille avec des caractéristiques environ 100 fois plus grandes que le nanomesh; le film et la grille avaient des conductivités thermiques environ 10 fois supérieures à celle du nanomesh.

Bien que la conductivité électrique du nanomesh soit restée comparable à la normale, silicium en vrac, sa conductivité thermique a été réduite à près de la limite inférieure théorique pour le silicium. Et les chercheurs disent qu'ils peuvent l'abaisser encore plus. "Maintenant que nous avons montré que nous pouvons ralentir les phonons, " Heath dit, « qui peut dire que nous ne pouvons pas les ralentir beaucoup plus ? »

Les chercheurs expérimentent maintenant différents matériaux et agencements de trous afin d'optimiser leur conception. "Un jour, nous pourrions peut-être concevoir un matériau dans lequel vous pouvez non seulement ralentir les phonons, mais vous pouvez exclure les phonons qui transportent la chaleur tout à fait, " Mitrovic dit. "Ce serait le but ultime."