Il s'agit d'une illustration schématique de la configuration multicouche avec des couches de porosité différente (matériau poreux gradué). Chaque couche contient une concentration de pores répartis périodiquement de la même taille (un seul ensemble de telles particules est représenté). Crédit: Matériaux APL
De votre voiture chaude à votre ordinateur portable chaud, chaque machine et appareil de votre vie gaspille beaucoup d'énergie à cause de la perte de chaleur. Mais les appareils thermoélectriques, qui convertissent la chaleur en électricité et vice versa, peut exploiter cette chaleur gaspillée, et peut-être fournir l'efficacité énergétique des technologies vertes qui est nécessaire pour un avenir durable.
Maintenant, une nouvelle étude montre comment les substances poreuses peuvent agir comme des matériaux thermoélectriques, ouvrant la voie à l'ingénierie de l'utilisation de ces matériaux dans les dispositifs thermoélectriques du futur.
Environ 70 pour cent de toute l'énergie produite dans le monde est gaspillée sous forme de chaleur, a déclaré Dimitris Niarchos du Centre national de recherche scientifique Demokritos à Athènes, Grèce. Lui et Roland Tarkhanyan, également de NCSR Demokritos, ont publié leur analyse dans la revue Matériaux APL , des éditions AIP.
Pour créer la technologie nécessaire pour capturer cette chaleur, des chercheurs du monde entier ont essayé de concevoir des matériaux thermoélectriques plus efficaces. Un matériau prometteur est celui qui est rempli de minuscules trous dont la taille varie d'environ un micron (10-6 mètres) à environ un nanomètre (10 -9 mètres). "Les thermoélectriques poreux peuvent jouer un rôle important dans l'amélioration des thermoélectriques en tant qu'alternative viable pour la récupération de la chaleur gaspillée, " dit Niarchos.
La chaleur traverse un matériau via des phonons, unités quantifiées de vibration qui agissent comme des particules caloporteuses. Quand un phonon tombe dans un trou, il se disperse et perd de l'énergie. Les phonons ne peuvent donc pas transporter la chaleur à travers un matériau poreux aussi efficacement, conférant au matériau une faible conductivité thermique, ce qui s'avère augmenter l'efficacité de la conversion chaleur-électricité. Plus le matériau est poreux, plus la conductivité thermique est faible, et mieux c'est comme matériau thermoélectrique.
Jusque là, cependant, les chercheurs doivent encore modéliser systématiquement comment les matériaux poreux maintiennent une faible conductivité thermique, dit Niarchos. Ainsi, lui et Tarkhanyan ont étudié les propriétés thermiques de quatre structures modèles simples de matériaux micro-nanoporeux. Cette analyse, Niarchos dit, fournit un plan approximatif sur la façon de concevoir de tels matériaux pour les dispositifs thermoélectriques.
Globalement, les chercheurs ont découvert que plus les pores sont petits et plus ils sont serrés les uns contre les autres, plus la conductivité thermique est faible. Leurs calculs correspondent bien aux données d'autres expériences, dit Niarchos. Ils montrent aussi que, en principe, les matériaux micro-nano poreux peuvent être plusieurs fois meilleurs pour convertir la chaleur en électricité que si le matériau n'avait pas de pores.
Le premier modèle décrit un matériau rempli de trous de tailles aléatoires, allant du micron au nanomètre de diamètre. La seconde est une avec plusieurs couches dans laquelle chaque couche contient des pores d'échelles de tailles différentes, ce qui lui donne une porosité différente. Le troisième est un matériau composé d'un réseau cubique tridimensionnel de trous identiques. Le quatrième est un autre système multicouche. Mais dans ce cas, chaque couche contient un réseau cubique de trous identiques. La taille des trous est différente dans chaque couche.
D'après l'analyse, les premier et quatrième modèles ont des conductivités thermiques plus faibles que le second. Le troisième modèle semble être le meilleur, car il a également une conductivité thermique inférieure à celle du quatrième modèle.
Sauf pour le premier modèle, cependant, tous les modèles ne sont pas pratiques car ils représentent des situations idéalisées avec un agencement parfait des pores, dit Niarchos. Il est également pratiquement impossible de créer des pores de taille exactement égale. Le premier modèle est donc le plus réaliste.
Toujours, il a dit, tous les modèles distincts démontrent l'importance de la porosité dans les matériaux thermoélectriques. Construit sur des formules analytiques simples et générales, les modèles permettent un calcul très rapide et précis de la conductivité thermique effective du réseau d'un matériau poreux et l'analyse systématique de ces matériaux.
