Illustration de nanotubes de carbone métalliques alignés dans le dispositif thermoélectrique de l'équipe. Un gradient de température fait circuler un courant électrique. Crédit :Université métropolitaine de Tokyo
Des scientifiques de l'Université métropolitaine de Tokyo ont utilisé des nanotubes de carbone "métalliques" alignés pour créer un dispositif qui convertit la chaleur en énergie électrique (un thermoélectrique dispositif) avec une puissance de sortie plus élevée que les nanotubes de carbone semi-conducteurs (CNT) purs dans les réseaux aléatoires. Le nouveau dispositif contourne le compromis gênant des semi-conducteurs entre la conductivité et la tension électrique, surperformant significativement son homologue. Les dispositifs thermoélectriques à haute puissance peuvent ouvrir la voie à une utilisation plus efficace de la chaleur résiduelle, comme l'électronique portable.
Les appareils thermoélectriques peuvent convertir directement la chaleur en électricité. Quand nous pensons à la quantité de chaleur gaspillée dans notre environnement comme dans les échappements de climatisation, les moteurs de véhicules ou encore la chaleur corporelle, ce serait révolutionnaire si nous pouvions récupérer cette énergie de notre environnement et l'utiliser à bon escient. Cela contribue en partie à alimenter la pensée derrière l'électronique portable et la photonique, appareils pouvant être portés sur la peau et alimentés par la chaleur corporelle. Des applications limitées sont déjà disponibles sous la forme de lumières alimentées par la chaleur corporelle et de montres intelligentes.
La puissance extraite d'un dispositif thermoélectrique lorsqu'un gradient de température se forme est affectée par la conductivité du dispositif et le coefficient de Seebeck, un nombre indiquant la quantité de tension électrique générée avec une certaine différence de température. Le problème est qu'il y a un compromis entre le coefficient Seebeck et la conductivité :le coefficient Seebeck chute lorsque l'appareil est rendu plus conducteur. Pour générer plus de puissance, nous voulons idéalement améliorer les deux .
Facteur de puissance vs conductivité pour les films CNT purement semi-conducteurs et métalliques. La proportion de NTC métalliques augmente de gauche à droite. Le tracé tout à droite correspond à des films NTC métalliques alignés. Ils présentent une puissance significativement plus élevée que tous les autres films. Crédit :Université métropolitaine de Tokyo
Les matériaux semi-conducteurs sont généralement considérés comme des candidats supérieurs pour les dispositifs thermoélectriques hautes performances. Cependant, une équipe dirigée par le professeur Kazuhiro Yanagi de l'Université métropolitaine de Tokyo a rencontré un héros improbable sous la forme de CNT "métalliques". Contrairement aux NTC purement semi-conducteurs, ils ont découvert qu'ils pouvaient simultanément améliorer à la fois la conductivité et le coefficient Seebeck des NTC métalliques, rompre le compromis entre ces deux quantités clés. L'équipe a ensuite montré que ces caractéristiques uniques découlaient de la structure électronique métallique unidimensionnelle du matériau. Par ailleurs, ils ont pu aligner l'orientation des NTC métalliques, atteindre une sortie qui était près de cinq fois celle des films de NTC semi-conducteurs purs orientés de manière aléatoire.
Non seulement les éléments thermoélectriques hautes performances nous permettront d'utiliser la chaleur corporelle pour alimenter nos smartphones, les applications biomédicales potentielles garantiront qu'elles joueront un rôle important dans les applications quotidiennes à l'avenir.
