Le Cu(1.97)Ag(0.03)Se thermoélectrique multiphasé se compose d'une structure cristalline principale de Cu(2)Se et d'une phase d'impuretés avec la structure cristalline de CuAgSe. Dans cette image au microscope électronique à balayage, la phase d'impureté apparaît sous forme de taches lumineuses. Les taches sombres sont des vides dans la structure cristalline. Crédit :Tristan Day/Caltech
Si vous êtes déjà allé faire un tour dans une voiture de luxe et avez senti que votre dos était réchauffé ou refroidi par un système de climatisation basé sur le siège, alors vous avez probablement expérimenté les avantages d'une classe de matériaux appelés thermoélectriques. Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité, et vice versa, et ils présentent de nombreux avantages par rapport aux systèmes de chauffage et de refroidissement plus traditionnels.
Récemment, les chercheurs ont observé que les performances de certains matériaux thermoélectriques peuvent être améliorées en combinant différentes phases solides - plus d'un matériau mélangé comme les touffes de graisse et de viande dans une tranche de salami. Les observations offrent la perspective alléchante d'augmenter considérablement l'efficacité énergétique des thermoélectriques, mais les scientifiques manquent encore d'outils pour comprendre pleinement comment les propriétés en vrac résultent de combinaisons de phases solides.
Maintenant, une équipe de recherche basée au California Institute of Technology (Caltech) a développé une nouvelle façon d'analyser les propriétés électriques des thermoélectriques qui ont deux phases solides ou plus. La nouvelle technique pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les propriétés thermoélectriques multiphasées et offrir des conseils sur la façon de concevoir de nouveaux matériaux pour obtenir les meilleures propriétés.
L'équipe décrit leur nouvelle technique dans un article publié dans la revue Lettres de physique appliquée .
Une vieille théorie fait un 180
Parce qu'il est parfois difficile de fabriquer séparément les composants purs qui composent les matériaux multiphasiques, les chercheurs ne peuvent pas toujours mesurer directement les propriétés de la phase pure. L'équipe de Caltech a surmonté ce défi en développant un moyen de calculer les propriétés électriques des phases individuelles tout en expérimentant uniquement directement avec le composite.
"C'est comme si tu avais fait des cookies aux pépites de chocolat, et vous voulez savoir à quoi ressemblent les pépites de chocolat et la pâte, mais tu ne peux pas, parce que chaque bouchée que vous prenez contient à la fois des pépites de chocolat et de la pâte, " a déclaré Jeff Snyder, chercheur à Caltech spécialisé dans les matériaux et dispositifs thermoélectriques.
Pour séparer les « chips » et la « pâte à frire » sans démouler le cookie, Snyder et ses collègues se sont tournés vers une théorie vieille de plusieurs décennies, appelée théorie des milieux effectifs, et ils lui ont donné une nouvelle tournure.
Les chercheurs de Caltech ont mis au point un moyen de calculer les propriétés électriques des composants individuels d'un matériau composite en testant la réponse du matériau dans une gamme de champs magnétiques. Cette image montre le matériau câblé dans un porte-échantillon conçu pour mesurer ses propriétés électriques. Crédit :Tristan Day/Caltech
"La théorie des médiums efficaces est assez ancienne, " dit Tristan Day, un étudiant diplômé du laboratoire Caltech de Snyder et premier auteur de l'article APL. La théorie est traditionnellement utilisée pour prédire les propriétés d'un composite en vrac sur la base des propriétés des phases individuelles. "Ce qu'il y a de nouveau dans ce que nous avons fait, c'est que nous avons pris un composite, puis annulé les propriétés de chaque phase constitutive, " dit Day.
La clé pour faire fonctionner l'inversion réside dans la manière différente dont chaque partie d'un matériau thermoélectrique composite répond à un champ magnétique. En mesurant certaines propriétés électriques sur une gamme de différentes intensités de champ magnétique, les chercheurs ont pu distinguer l'influence des deux phases différentes.
L'équipe a testé sa méthode sur le thermoélectrique Cu1.97 Ag0.03Se largement étudié, qui se compose d'une structure cristalline principale de Cu2Se et d'une phase d'impuretés avec la structure cristalline de CuAgSe.
Le contrôle de la température du futur ?
Les matériaux thermoélectriques sont actuellement utilisés dans de nombreuses applications de niche, y compris les sièges auto climatisés, refroidisseurs de vin, et les réfrigérateurs médicaux utilisés pour stocker les médicaments thermosensibles.
"Les avantages certains de l'utilisation de thermoélectriques sont qu'il n'y a pas de pièces mobiles dans le mécanisme de refroidissement, et vous n'avez pas besoin d'avoir les mêmes fluctuations de température typiques d'un réfrigérateur à compresseur qui s'allume toutes les demi-heures, râle un peu puis s'éteint, " dit Snyder.
L'un des inconvénients des systèmes de refroidissement thermoélectriques, cependant, est leur consommation d'énergie.
S'il est utilisé de la même manière qu'un système de refroidissement à compresseur, la plupart des thermoélectriques commerciaux nécessiteraient environ 3 fois plus d'énergie pour fournir la même puissance de refroidissement. L'analyse théorique suggère que l'efficacité énergétique des thermoélectriques pourrait être considérablement améliorée si les bonnes combinaisons de matériaux et les bonnes structures étaient trouvées, et c'est un domaine où les nouvelles méthodes de calcul de Synder et de ses collègues peuvent aider.
De nombreux avantages en termes de performances des thermoélectriques multiphasés peuvent provenir des effets quantiques générés par des structures à l'échelle micro et nanométrique. Les calculs des chercheurs de Caltech font des hypothèses classiques, mais Snyder note que les divergences entre les calculs et les propriétés observées pourraient confirmer les effets à l'échelle nanométrique.
Snyder souligne également que si les thermoélectriques peuvent être moins économes en énergie que les compresseurs, leur petite taille et leur polyvalence signifient qu'ils pourraient être utilisés de manière plus intelligente pour réduire la consommation d'énergie. Par exemple, des radiateurs ou refroidisseurs thermoélectriques pourraient être placés dans des zones stratégiques autour d'une voiture, comme le siège et le volant. Les systèmes thermoélectriques créeraient une sensation de chaleur ou de fraîcheur pour le conducteur sans consommer l'énergie nécessaire pour modifier la température de l'ensemble de la cabine.
"Je ne sais pas pour vous, mais quand je suis mal à l'aise dans une voiture c'est parce que je suis assis sur un siège chaud et que mon derrière est chaud, " dit Snyder. " En principe, 100 watts de refroidissement sur un siège auto pourraient remplacer 1000 watts dans l'habitacle."
Finalement, l'équipe aimerait utiliser ses nouvelles connaissances en thermoélectrique pour concevoir sur mesure des matériaux « intelligents » avec les bonnes propriétés pour toute application particulière.
"Nous nous amusons beaucoup parce que nous nous considérons comme des ingénieurs des matériaux avec le tableau périodique et les microstructures comme terrains de jeux, " dit Snyder.
