Des scientifiques de l'Université du Colorado à Boulder ont trouvé un moyen créatif d'améliorer radicalement les matériaux thermoélectriques, un constat qui pourrait un jour conduire au développement de panneaux solaires améliorés, des équipements de refroidissement plus économes en énergie, et même la création de nouveaux appareils qui pourraient transformer les grandes quantités de chaleur gaspillées dans les centrales électriques en plus d'électricité.

La technique - la construction d'un réseau de minuscules piliers au-dessus d'une feuille de matériau thermoélectrique - représente une toute nouvelle façon d'attaquer un problème vieux d'un siècle, dit Mahmoud Hussein, un professeur adjoint de sciences de l'ingénierie aérospatiale qui a été le pionnier de la découverte.

L'effet thermoélectrique, découvert pour la première fois dans les années 1800, fait référence à la capacité de générer un courant électrique à partir d'une différence de température entre un côté d'un matériau et l'autre. Inversement, l'application d'une tension électrique à un matériau thermoélectrique peut provoquer un échauffement d'un côté du matériau tandis que l'autre reste froid, ou, alternativement, un côté pour refroidir tandis que l'autre reste chaud.

Les dispositifs incorporant des matériaux thermoélectriques ont été utilisés de deux manières :pour créer de l'électricité à partir d'une source de chaleur, comme le soleil, par exemple, ou pour refroidir des instruments de précision en consommant de l'électricité.

Cependant, l'utilisation généralisée des matériaux thermoélectriques a été entravée par un problème fondamental qui a occupé les scientifiques pendant des décennies. Les matériaux qui permettent à l'électricité de les traverser permettent également à la chaleur de les traverser. Cela signifie qu'en même temps une différence de température crée un potentiel électrique, la différence de température elle-même commence à se dissiper, affaiblissant le courant qu'il a créé.

Jusqu'aux années 1990, les scientifiques ont résolu ce problème en recherchant des matériaux dotés de propriétés intrinsèques permettant à l'électricité de circuler plus facilement que la chaleur.

« Jusqu'à il y a 20 ans, les gens regardaient la chimie des matériaux, " Hussein a dit. " Et puis la nanotechnologie est entrée en scène et a permis aux chercheurs de concevoir les matériaux pour les propriétés qu'ils voulaient. "

Grâce à la nanotechnologie, les physiciens des matériaux ont commencé à créer des barrières dans les matériaux thermoélectriques, tels que des trous ou des particules, qui ont entravé le flux de chaleur plus que le flux d'électricité. Mais même dans le meilleur des scénarios, le flux d'électrons, qui transportent l'énergie électrique, a également été ralenti.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Lettres d'examen physique , Hussein et le doctorant Bruce Davis démontrent que la nanotechnologie pourrait être utilisée d'une manière totalement différente pour ralentir le transfert de chaleur sans affecter le mouvement des électrons.

Le nouveau concept consiste à construire un réseau de piliers à l'échelle nanométrique sur une feuille d'un matériau thermoélectrique, comme le silicium, pour former ce que les auteurs appellent un « métamatériau nanophonique ». La chaleur est transportée à travers le matériau sous forme d'une série de vibrations, connu sous le nom de phonons. Les atomes qui composent les piliers miniatures vibrent également à diverses fréquences. Davis et Hussein ont utilisé un modèle informatique pour montrer que les vibrations des piliers interagiraient avec les vibrations des phonons, ralentir le flux de chaleur. Les vibrations des piliers ne devraient pas affecter le courant électrique.

L'équipe estime que leurs piliers nanométriques pourraient réduire de moitié le flux de chaleur à travers un matériau, mais la réduction pourrait être significativement plus forte car les calculs ont été effectués de manière très prudente, dit Hussein.

« Si nous pouvons améliorer considérablement la conversion de l'énergie thermoélectrique, il y aura toutes sortes d'applications pratiques importantes, ", a déclaré Hussein. Il s'agit notamment de récupérer la chaleur résiduelle émise par différents types d'équipements - des ordinateurs portables aux voitures en passant par les centrales électriques - et de transformer cette chaleur en électricité. De meilleurs thermoélectriques pourraient également améliorer considérablement l'efficacité des panneaux solaires et des appareils de réfrigération.

La prochaine étape consiste pour Hussein à s'associer avec des collègues du département de physique et d'autres institutions pour fabriquer les piliers afin que l'idée puisse être testée en laboratoire. "C'est encore au début de la phase de démonstration en laboratoire, mais les étapes restantes sont à portée de main."

Hussein espère également affiner davantage les modèles qu'il a utilisés pour mieux comprendre la physique sous-jacente. "Une équipe de doctorants très motivés travaille avec moi 24 heures sur 24 sur ce projet, " il a dit.