Les scientifiques ont découvert qu'une classe de matériaux connus pour convertir la chaleur en électricité et vice versa se comporte de manière assez inattendue à l'échelle nanométrique en réponse aux changements de température. La découverte - décrite dans le 17 décembre 2010, problème de Science - est une nouvelle transition de phase "en sens inverse" qui permet d'expliquer la forte réponse thermoélectrique de ces matériaux. Cela peut également aider les scientifiques à identifier d'autres thermoélectriques utiles, et pourraient approfondir leur application dans la capture de l'énergie perdue sous forme de chaleur, par exemple, dans les gaz d'échappement automobiles et d'usine.

Les scientifiques - du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie, Université de Columbia, Laboratoire National d'Argonne, Laboratoire national de Los Alamos, Université du nord-ouest, et l'Institut fédéral suisse de technologie - étudiaient les chalcogénures de plomb (plomb associé à du tellure, sélénium, ou soufre) en utilisant de nouvelles techniques expérimentales et approches théoriques qui leur permettent de "voir" et de modéliser le comportement d'atomes individuels à l'échelle nanométrique, ou de l'ordre du milliardième de mètre. Avec ces outils, ils ont pu observer des changements subtils dans les arrangements atomiques invisibles aux sondes de structure conventionnelles.

Pour comprendre la transition de phase observée par les scientifiques, pensez à la réaction quotidienne d'un gaz comme le refroidissement à la vapeur pour former de l'eau liquide, puis congeler pour former de la glace solide. Dans chaque cas, les atomes subissent une certaine forme de réarrangement structurel, explique Simon Billinge, un physicien au Brookhaven Lab et à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université Columbia et un auteur principal sur le Science papier.

"Parfois, un refroidissement supplémentaire entraînera d'autres transitions structurelles :les atomes du cristal se réarrangent ou se déplacent pour réduire la symétrie globale, " dit Billinge. Le développement de telles distorsions atomiques localisées lors du refroidissement est normal, il dit. "Ce que nous avons découvert dans les chalcogénures de plomb, c'est le comportement inverse :à la température la plus basse, il n'y a pas eu de déplacements atomiques, rien - mais sur le réchauffement, des déplacements apparaissent !"

Les techniques utilisées par les scientifiques pour observer cette action atomique à l'échelle nanométrique étaient des versions de haute technologie de la vision aux rayons X, aidée par l'analyse mathématique et informatique des résultats. Tout d'abord, les matériaux de plomb ont été fabriqués sous forme de poudre purifiée à la Northwestern University. Ensuite, les scientifiques ont bombardé les échantillons avec deux types de faisceaux - des rayons X à la source avancée de photons à Argonne et des neutrons au Lujan Neutron Scattering Center à Los Alamos. Les détecteurs recueillent des informations sur la façon dont ces faisceaux se dispersent sur l'échantillon pour produire des diagrammes de diffraction qui indiquent les positions et les dispositions des atomes. Une analyse mathématique et informatique plus poussée des données à l'aide de programmes informatiques développés à Brookhaven et à Columbia a permis aux scientifiques de modéliser et d'interpréter ce qui se passait au niveau atomique sur une plage de températures.

le physicien de Brookhaven Emil Bozin, premier auteur sur le papier, a été le premier à remarquer le comportement étrange des données, et il a travaillé avec ténacité pour prouver qu'il s'agissait de quelque chose de nouveau et non d'un artefact de données. « Si nous avions juste regardé la structure moyenne, nous n'aurions jamais observé cet effet. Notre analyse des fonctions de distribution de paires atomiques nous donne une vue beaucoup plus locale - la distance d'un atome particulier à ses voisins les plus proches - plutôt que juste la moyenne, " dit Bozin. L'analyse détaillée a révélé que, au fur et à mesure que le matériau se réchauffait, ces distances changeaient à une échelle minuscule - environ 0,025 nanomètres - indiquant que les atomes individuels se déplaçaient.

Les scientifiques ont réalisé une animation pour illustrer l'émergence de ces déplacements lors du chauffage. Dedans, les déplacements sont représentés par des flèches pour indiquer les orientations changeantes des atomes lorsqu'ils se retournent, ou fluctuer, comme de minuscules dipôles.

Selon les scientifiques, c'est ce comportement de retournement aléatoire qui est la clé de la capacité des matériaux à convertir la chaleur en électricité.

"Les dipôles qui se retournent au hasard empêchent le mouvement de la chaleur à travers le matériau de la même manière qu'il est plus difficile de se déplacer dans un bois désordonné qu'un verger de pommiers ordonné où les arbres sont alignés en rangées, " dit Billinge. " Cette faible conductivité thermique permet de maintenir un grand gradient de température à travers l'échantillon, ce qui est crucial pour les propriétés thermoélectriques.

Lorsqu'un côté du matériau entre en contact avec la chaleur - disons, dans le système d'échappement d'une voiture - le gradient provoquera des porteurs de charge dans le matériau thermoélectrique (par exemple, électrons) pour diffuser du côté chaud vers le côté froid. La capture de ce courant électrique induit thermiquement pourrait utiliser la chaleur « perdue ».

Cette recherche peut aider les scientifiques à rechercher d'autres matériaux thermoélectriques aux propriétés exceptionnelles, car elle lie la bonne réponse thermoélectrique à l'existence de dipôles fluctuants.

"Notre prochaine étape sera la recherche de nouveaux matériaux qui montrent cette nouvelle transition de phase, et trouver d'autres signatures structurelles pour ce comportement, " a déclaré Billinge. " Les nouveaux outils qui nous permettent de sonder les structures à l'échelle nanométrique sont essentiels à cette recherche.

"De telles études de matériaux complexes à l'échelle nanométrique détiennent la clé de nombreuses percées technologiques transformatrices que nous cherchons à résoudre des problèmes énergétiques, santé, et l'environnement."