Bruce White a travaillé avec des semi-conducteurs et des transistors chez Motorola et Texas Instruments. Mais lorsqu'il a quitté l'industrie pour un poste à la faculté de l'Université de Binghamton, le scientifique des matériaux a décidé d'orienter ses recherches dans une nouvelle direction. "Je ne voulais pas juste continuer à travailler sur les transistors et la mémoire, " dit White. "Je voulais essayer d'appliquer ces outils à de gros problèmes qui ont un impact sur la société."
L'énergie est l'un de ces gros problèmes; aux Etats-Unis, plus de la moitié de l'énergie que nous brûlons chaque année est perdue sous forme de chaleur au lieu d'être utilisée.
"Nous faisons tout ce travail pour extraire le pétrole du sol et le raffiner, mais quand nous essayons de travailler avec, la majeure partie de l'énergie sort du pot d'échappement d'une voiture ou de la cheminée d'une centrale électrique, " dit White. " Même si nous pouvions récupérer une petite fraction de ce que nous jetons sous forme de chaleur, cela aurait un impact significatif sur notre consommation d'énergie.
Il existe des moyens de transformer la chaleur en électricité. Si un matériau est chaud d'un côté et froid de l'autre, le flux de chaleur du chaud au froid peut être transformé en électricité. Mais la plupart des matériaux thermoélectriques sur le marché aujourd'hui ne sont pas très bons pour cela. La partie délicate, Blanc dit, fait circuler la chaleur à travers le matériau sur le dos des électrons. Dans la plupart des matériaux, la chaleur circule dans une vague qui fait simplement vibrer plus rapidement les atomes du matériau. Ce n'est pas un phénomène utile, et cela finit par détruire l'important différentiel chaud-froid. Dans de nombreux matériaux, la vibration des atomes emporte 90 pour cent de la chaleur avant qu'elle ne puisse être exploitée.
L'objectif de White est de créer des matériaux où les effets de vibration sont minimisés - ou, en d'autres termes, où un plus grand pourcentage de la chaleur est transporté par des électrons, créer un flux d'électricité. Il pense également qu'il est important de s'assurer que ces matériaux sont abondants et non toxiques.
White a peut-être trouvé un candidat dans l'oxyde de zinc, une substance utilisée dans de nombreuses marques de crème solaire. L'oxyde de zinc est abondant, pas cher et sûr, et il se trouve qu'il est vraiment bon pour déplacer les électrons. Malheureusement, dans son état normal, L'oxyde de zinc a une structure moléculaire qui transporte la chaleur en faisant vibrer des atomes au lieu de la transformer en électricité.
En manipulant l'oxyde de zinc au niveau moléculaire, White et ses collègues sont en mesure d'améliorer la production d'électricité. D'abord, ils étirent le matériau en fils de 50 nanomètres de diamètre. (C'est à peu près 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.) Cette incroyable finesse modifie la façon dont la chaleur se propage à travers le matériau. Prochain, ils noient les nanofils dans un aérogel de silice, une substance qui est terrible à conduire la chaleur. En raison des interactions intéressantes et uniques qui se produisent à très petite échelle, les nanofils peuvent adopter les propriétés des matériaux environnants. Dans ce cas, les fils sont devenus de très mauvais conducteurs de chaleur. Leur capacité à conduire la chaleur par les vibrations atomiques a diminué d'un facteur 10, leur efficacité à transformer la chaleur en électricité a donc augmenté. Les résultats ont été publiés en avril 2013 dans Lettres de physique appliquée , le meilleur journal dans le domaine.
Ce qui est particulièrement excitant dans cette découverte, Blanc dit, est que les matériaux des fils et de l'aérogel peuvent être mélangés et appariés pour personnaliser les propriétés thermoélectriques pour différentes applications, telles que l'exploitation de la chaleur résiduelle d'une centrale électrique, fournaise automobile ou domestique. Puisque les aérogels sont presque transparents, White envisage même de fabriquer des revêtements de fenêtre qui exploitent les différences de température intérieure et extérieure pour générer de l'électricité.
Avec les bons matériaux, il peut être possible d'éliminer complètement le moteur à combustion interne. White et les membres de son laboratoire pensent qu'ils ont peut-être un moyen de le faire. Tout se résume au silicium, qui est un excellent semi-conducteur - c'est pourquoi nos appareils électroniques sont à base de silicium - mais est également très bon pour conduire la chaleur via les vibrations atomiques. Le groupe de White se débarrasse de ces vibrations en construisant un composite silicium-étain à l'aide d'une nouvelle technique de fabrication qui fait croître le matériau couche par couche.
Le travail a attiré l'attention du Naval Research Office, qui finance les recherches de White. "C'est sa méthode de fabrication qui le rend vraiment différent, " dit Robert Walters, chef de la branche Appareils à semi-conducteurs du Laboratoire de recherche navale. "Bruce a développé la technique de fabrication qui, selon nous, permettra d'obtenir la structure en couches de silicium-étain, dont nous pensons vraiment avoir besoin pour découpler les propriétés thermiques et électriques du silicium. … C'est une très bonne idée. C'est innovant et c'est différent des autres choses que nous avons vues."
Le nouveau matériau composite a une conductivité thermique de 1, 000 fois inférieur au silicium ordinaire. Le groupe espère le rendre encore trois fois plus bas en rendant le cristal plus pur et plus uniforme. Si la conductivité thermique devient si faible, le matériau serait si efficace pour transformer la chaleur en électricité qu'il pourrait alimenter une voiture avec la combustion d'une flamme.
C'est loin dans le futur, bien que. Alors qu'ils travaillent à affiner les matériaux qu'ils ont déjà développés, Le groupe de White est sur le point de créer des matériaux moins extrêmes qui pourraient encore avoir un grand impact. Matériaux caloporteurs, qui pourrait être installé sur le tuyau d'échappement ou le radiateur d'une voiture, pourrait bientôt générer suffisamment d'électricité pour alimenter l'électronique de la voiture. "Cela seul pourrait augmenter l'efficacité énergétique de quelques miles par gallon, " dit White. " Quand on pense à l'intégrer sur l'ensemble du parc automobile, Cela fait une énorme différence."
