Ce schéma montre l'une des nanoparticules cœur-coquille noyées dans un matériau hôte, comme décrit dans un article dans Advanced Materials. Le mouvement des électrons, comme indiqué par les lignes brunes, est courbé de telle manière qu'ils semblent ne pas être affectés par la présence de la particule, leur permettant ainsi de passer avec peu de résistance. Crédit :CHERCHEURS
Les dispositifs thermoélectriques, qui peuvent soit générer un courant électrique à partir d'une différence de température, soit utiliser de l'électricité pour produire du chauffage ou du refroidissement sans pièces mobiles, ont été explorés en laboratoire depuis le XIXe siècle. Dans les années récentes, leur efficacité s'est suffisamment améliorée pour permettre une utilisation commerciale limitée, comme dans les systèmes de refroidissement intégrés aux sièges des automobiles. Mais une utilisation plus répandue, comme pour exploiter la chaleur résiduelle des centrales électriques et des moteurs, appelle à de meilleurs matériaux.
Maintenant, une nouvelle façon d'améliorer l'efficacité de ces appareils, développé par des chercheurs du MIT et de l'Université Rutgers, pourrait conduire à de telles applications plus larges. Le nouveau travail, par le professeur de génie mécanique Gang Chen, Professeur de l'Institut Mildred Dresselhaus, étudiant diplômé Bolin Liao, et la récente postdoctorante Mona Zebarjadi et le chercheur Keivan Esfarjani (tous deux actuellement membres du corps professoral de Rutgers), a été publié dans la revue Matériaux avancés .
Bien que les dispositifs thermoélectriques soient disponibles dans le commerce depuis les années 1950, leur efficacité a été faible en raison des limitations des matériaux. Un nouvel élan pour les systèmes thermoélectriques remonte au début des années 1990, quand Dresselhaus travaillait sur un projet, financé par la marine américaine, améliorer les matériaux thermoélectriques pour les systèmes de refroidissement silencieux des sous-marins. Chen, qui travaillait alors sur les propriétés d'isolation thermique des nanostructures, fait équipe avec elle pour faire progresser les matériaux thermoélectriques.
La découverte du groupe selon laquelle les matériaux à l'échelle nanométrique pourraient avoir des propriétés très différentes de celles de morceaux plus gros du même matériau - un travail impliquant de minuscules particules d'un matériau incrustées dans un autre, formant des nanocomposites - a finalement contribué à améliorer l'efficacité des dispositifs thermoélectriques. Les derniers travaux poursuivent cette recherche, régler la composition, dimensions et densité des nanoparticules incorporées pour maximiser les propriétés thermoélectriques du matériau.
Une modélisation informatique détaillée du nouveau matériau montre qu'il pourrait améliorer les paramètres essentiels à un système thermoélectrique efficace :une conductivité électrique élevée (afin que l'électricité circule facilement), faible conductivité thermique (afin de maintenir un gradient de température), et l'optimisation d'une propriété appelée coefficient de Seebeck, qui exprime la quantité de chaleur transportée par un électron, en moyenne.
Le nouveau travail s'appuie également sur des méthodes développées par des chercheurs en optique qui ont tenté de créer des capes d'invisibilité, des moyens de rendre les objets invisibles à certaines ondes radio ou ondes lumineuses en utilisant des matériaux nanostructurés qui courbent la lumière. L'équipe du MIT a appliqué des méthodes similaires pour intégrer des particules qui pourraient réduire la conductivité thermique du matériau tout en maintenant sa conductivité électrique élevée.
"C'est un peu comme une cape pour les électrons, " Dit Dresselhaus. " Nous nous sommes inspirés des gens de l'optique. "
Le concept qui a rendu les améliorations possibles, expliquent les chercheurs, est ce qu'on appelle l'anti-résonance, ce qui provoque le blocage des électrons de la plupart des niveaux d'énergie par les particules incrustées, tandis que ceux dans une gamme étroite d'énergies passent avec peu de résistance.
Liao et Zebarjadi, qui a effectué ce travail en post-doctorat au MIT, conçu pour rendre les nanoparticules invisibles au flux d'électrons grâce à ce principe d'anti-résonance. En ajustant la taille des nanoparticules, les chercheurs les ont rendus invisibles aux électrons, mais pas les phonons, les particules virtuelles qui transportent la chaleur.
En outre, ils ont découvert que les nanoparticules intégrées amélioraient en fait le flux d'électrons. "Nous pouvons augmenter la conductivité électrique de manière significative, " dit Zebarjadi.
Cet effet de base avait déjà été observé, elle dit, mais seulement dans les gaz, pas des solides. "Quand on a vu ça, nous l'avons dit, ce serait bien si nous pouvions avoir une telle diffusion [des électrons] dans les solides, " dit Zebarjadi - un résultat qu'elle et ses collègues ont finalement pu atteindre.
La technique s'inspire d'un concept appelé dopage par modulation, qui est utilisé dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs. Jusque là, le travail a été théorique. La prochaine étape sera de construire des dispositifs de test réels, disent les membres de l'équipe. « Il y a beaucoup de défis du côté expérimental, " dit Chen.
Joseph Heremans, professeur de physique à l'Ohio State University, appelle le travail "des trucs fabuleux de Harry Potter, encore crédible… vraiment nouveau, et totalement surprenant." Cependant, il note que l'effet est limité à une gamme étroite d'énergie électronique, et nécessitera un réglage fin pour obtenir le niveau d'énergie juste. "Cela peut s'avérer impossible à réaliser en laboratoire, nous ne le saurons pas jusqu'à ce que quelqu'un essaie, " il dit.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
