Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé une nouvelle méthode pour créer des nanomatériaux avancés qui pourraient conduire à des réfrigérateurs et des systèmes de refroidissement très efficaces ne nécessitant ni réfrigérants ni pièces mobiles. Les ingrédients clés de cette innovation sont une pincée de soufre à l'échelle nanométrique et une normale, four à micro-ondes de tous les jours Crédit :Rensselaer/Ramanath
Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé une nouvelle méthode pour créer des nanomatériaux avancés qui pourraient conduire à des réfrigérateurs et des systèmes de refroidissement très efficaces ne nécessitant ni réfrigérants ni pièces mobiles. Les ingrédients clés de cette innovation sont une pincée de soufre à l'échelle nanométrique et une normale, four à micro-ondes de tous les jours.
Au cœur de ces systèmes de refroidissement à l'état solide se trouvent des matériaux thermoélectriques, qui peut convertir l'électricité en une gamme de températures différentes, du chaud au froid. Les réfrigérateurs thermoélectriques utilisant ces principes sont disponibles depuis plus de 20 ans, mais ils sont encore petits et très inefficaces. Ceci est en grande partie dû au fait que les matériaux utilisés dans les dispositifs de refroidissement thermoélectriques actuels sont coûteux et difficiles à fabriquer en grandes quantités, et n'ont pas la combinaison nécessaire de propriétés thermiques et électriques. Une nouvelle étude, publié aujourd'hui dans la revue Matériaux naturels , surmonte ces défis et ouvre la porte à une nouvelle génération de hautes performances, réfrigération et climatisation à semi-conducteurs économiques.
Le professeur Rensselaer Ganpati Ramanath a dirigé l'étude, en collaboration avec ses collègues Theodorian Borca-Tasciuc et Richard W. Siegel.
L'idée de contaminer intentionnellement, ou le dopage, matériaux thermoélectriques nanostructurés avec des quantités de soufre à peine présentes. Les matériaux dopés sont obtenus en cuisant le matériau et le dopant ensemble pendant quelques minutes dans un four à micro-ondes de 40 $ du commerce. La poudre résultante est transformée en pastilles de la taille d'un pois en appliquant de la chaleur et de la pression de manière à préserver les propriétés conférées par la nanostructuration et le dopage. Ces pastilles présentent des propriétés meilleures que les matériaux thermoélectriques difficiles à fabriquer actuellement disponibles sur le marché. En outre, cette nouvelle méthode de création des pastilles dopées est beaucoup plus rapide, Plus facile, et moins cher que les méthodes conventionnelles de fabrication de matériaux thermoélectriques.
"Ce n'est pas une découverte ponctuelle. Au contraire, nous avons développé et démontré une nouvelle façon de créer une toute nouvelle classe de matériaux thermoélectriques dopés avec des propriétés supérieures, " dit Ramanath, membre du corps professoral du Département de science et d'ingénierie des matériaux de Rensselaer. "Nos découvertes ont vraiment le potentiel de transformer le paysage technologique de la réfrigération et d'avoir un impact réel sur nos vies."
Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé une nouvelle méthode pour créer des nanomatériaux avancés, sur la base de la nanoplaque vue ici, cela pourrait conduire à des réfrigérateurs et des systèmes de refroidissement très efficaces ne nécessitant aucun réfrigérant ni aucune pièce mobile. Les ingrédients clés de cette innovation sont une pincée de soufre à l'échelle nanométrique et une normale, four à micro-ondes de tous les jours. Crédit :Rensselaer/Ramanath
Essayer de concevoir des matériaux thermoélectriques, c'est un peu comme jouer à un jeu de tir à la corde, " a déclaré Ramanath. Les chercheurs s'efforcent de contrôler trois propriétés distinctes du matériau :la conductivité électrique, conductivité thermique, et le coefficient de Seebeck. Manipuler l'une de ces propriétés, cependant, affecte nécessairement les deux autres. Cette nouvelle étude démontre une nouvelle façon de minimiser l'interdépendance de ces trois propriétés en combinant dopage et nanostructuration dans des matériaux thermoélectriques bien connus tels que les tellurures et les séléniures à base de bismuth et d'antimoine.
Le but de peaufiner ces trois propriétés est de créer un matériau thermoélectrique avec un facteur de mérite élevé, ou ZT, qui est une mesure de l'efficacité du matériau à convertir la chaleur en électricité. Les nouvelles pastilles de nanomatériaux de la taille d'un pois développées par l'équipe Rensselaer ont démontré un ZT de 1 à 1,1 à température ambiante. Étant donné que de telles valeurs élevées sont obtenues même sans optimiser le processus, les chercheurs sont convaincus qu'un ZT plus élevé peut être obtenu avec une certaine ingénierie intelligente.
« C'est vraiment incroyable de voir comment les nanostructures assaisonnées avec seulement quelques atomes de soufre peuvent conduire à des propriétés thermoélectriques aussi supérieures du matériau en vrac fabriqué à partir des nanostructures, et nous permet de récolter les bénéfices de la nanostructuration à grande échelle, " dit Ramanath.
Une facette importante de la découverte est la capacité de fabriquer des nanomatériaux thermoélectriques de type p (charge positive) et de type n (charge négative) avec un ZT élevé. Jusqu'à maintenant, les chercheurs du monde entier n'ont pu fabriquer que de grandes quantités de matériaux de type p avec un ZT élevé.
Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé une nouvelle méthode pour créer des nanomatériaux avancés, sur la base des nanoplaques vues ici, cela pourrait conduire à des réfrigérateurs et des systèmes de refroidissement très efficaces ne nécessitant aucun réfrigérant ni aucune pièce mobile. Les ingrédients clés de cette innovation sont une pincée de soufre à l'échelle nanométrique et une normale, four à micro-ondes de tous les jours. Crédit :Rensselaer/Ramanath
En outre, la nouvelle étude montre que l'équipe de recherche de Rensselaer peut fabriquer des lots de 10 à 15 grammes (assez pour fabriquer plusieurs pastilles de la taille d'un pois) du nanomatériau dopé en deux à trois minutes avec un four à micro-ondes. De plus grandes quantités peuvent être produites à l'aide de fours à micro-ondes de taille industrielle.
« Notre capacité à produire de manière évolutive et à moindre coût des matériaux de type p et de type n avec un ZT élevé ouvre la voie à la fabrication de dispositifs de refroidissement à haute efficacité, ainsi que des dispositifs thermoélectriques à semi-conducteurs pour la récupération de la chaleur résiduelle ou de la chaleur solaire en électricité, " dit Borca-Tasciuc, professeur au Département de mécanique, Aérospatial, et Ingénierie nucléaire à Rensselaer.
« C'est une découverte très excitante car elle combine la réalisation de propriétés thermoélectriques nouvelles et utiles avec une voie de traitement démontrée vers des applications industrielles, " dit Siegel, le professeur Robert W. Hunt de science et d'ingénierie des matériaux à Rensselaer.
L'étudiant diplômé de Rensselaer Rutvik J. Mehta a réalisé ce travail pour sa thèse de doctorat. Mehta, Ramanath, et Borca-Tasciuc ont déposé un brevet et formé une nouvelle société, ThermoAura Inc., poursuivre le développement et la commercialisation de la nouvelle technologie des matériaux thermoélectriques. Mehta a depuis obtenu son diplôme et est maintenant associée post-doctorale à Rensselaer. Il est également président de ThermoAura.
Au-delà des réfrigérateurs et de la climatisation, les chercheurs envisagent que cette technologie pourrait un jour être utilisée pour refroidir les puces informatiques.
Avec Ramanath, Borca-Tasciuc, Siegel, et Mehta, les co-auteurs de l'article sont Yanliang Zhang, étudiants diplômés de Rensselaer, Chinnathambi Karthik, et Binay Singh.
