Cette image au microscope électronique montre les deux semi-conducteurs du refroidisseur - un flocon de tellurure de bismuth et un de tellurure d'antimoine-bismuth - se chevauchant dans la zone sombre au milieu, c'est là que se produit la majeure partie du refroidissement. Les petits « points » sont des nanoparticules d'indium, que l'équipe a utilisé comme thermomètres. Crédit :UCLA/Groupe Regan
Comment gardez-vous le plus petit soda du monde au frais ? Les scientifiques de l'UCLA ont peut-être la réponse.
Une équipe dirigée par le professeur de physique de l'UCLA Chris Regan a réussi à créer des refroidisseurs thermoélectriques de seulement 100 nanomètres d'épaisseur, soit environ un dix millionième de mètre, et a développé une nouvelle technique innovante pour mesurer leurs performances de refroidissement.
"Nous avons fabriqué le plus petit réfrigérateur au monde, " dit Regan, l'auteur principal d'un article sur la recherche publié récemment dans la revue ACS Nano .
Pour être clair, ces appareils minuscules ne sont pas des réfrigérateurs au sens courant du terme :il n'y a pas de portes ni de bacs à légumes. Mais à plus grande échelle, la même technologie est utilisée pour refroidir les ordinateurs et autres appareils électroniques, pour réguler la température dans les réseaux de fibre optique, et pour réduire le "bruit" de l'image dans les télescopes haut de gamme et les appareils photo numériques.
Que sont les appareils thermoélectriques et comment fonctionnent-ils ?
Fabriqué en intercalant deux semi-conducteurs différents entre des plaques métallisées, ces appareils fonctionnent de deux manières. Lorsque la chaleur est appliquée, un côté devient chaud et l'autre reste froid; cette différence de température peut être utilisée pour produire de l'électricité. Les instruments scientifiques du vaisseau spatial Voyager de la NASA, par exemple, ont été alimentés pendant 40 ans par de l'électricité provenant de dispositifs thermoélectriques enroulés autour de plutonium produisant de la chaleur. À l'avenir, des dispositifs similaires peuvent être utilisés pour aider à capter la chaleur des gaz d'échappement de votre voiture pour alimenter son climatiseur.
Mais ce processus peut également être exécuté en sens inverse. Lorsqu'un courant électrique est appliqué à l'appareil, un côté devient chaud et l'autre froid, lui permettant de servir de glacière ou de réfrigérateur. Cette technologie à plus grande échelle pourrait un jour remplacer le système de compression de vapeur de votre réfrigérateur et garder votre vrai soda givré.
Un appareil thermoélectrique standard, qui est constitué de deux matériaux semi-conducteurs pris en sandwich entre des plaques métallisées. Crédit :Wikimedia Commons
Ce que l'équipe de l'UCLA a fait
Pour créer leurs glacières thermoélectriques, L'équipe de Regan, qui comprenait six étudiants de premier cycle de l'UCLA, utilisé deux matériaux semi-conducteurs standard :le tellurure de bismuth et le tellurure d'antimoine-bismuth. Ils ont attaché du scotch ordinaire à des morceaux de matériaux en vrac conventionnels, épluché puis récolté fin, flocons monocristallins du matériau encore collés à la bande. De ces flocons, ils ont fabriqué des dispositifs fonctionnels de seulement 100 nanomètres d'épaisseur et d'un volume actif total d'environ 1 micromètre cube, invisible à l'œil nu.
Pour mettre ce petit volume en perspective :vos ongles poussent de milliers de micromètres cubes chaque seconde. Si vos cuticules fabriquaient ces minuscules glacières au lieu d'ongles, chaque doigt produirait plus de 5, 000 appareils par seconde.
"Nous avons battu le record de la plus petite glacière thermoélectrique au monde par un facteur de plus de dix mille, " dit Xin Yi Ling, l'un des auteurs de l'article et un ancien étudiant de premier cycle du groupe de recherche de Regan.
Alors que les dispositifs thermoélectriques ont été utilisés dans des applications de niche en raison d'avantages tels que leur petite taille, leur manque de pièces mobiles et leur fiabilité, leur faible efficacité par rapport aux systèmes conventionnels basés sur la compression a empêché l'adoption généralisée de la technologie. Tout simplement, à plus grande échelle, les appareils thermoélectriques ne produisent pas assez d'électricité, ou rester assez froid—pour le moment.
Mais en se concentrant sur les nanostructures, des dispositifs dont au moins une dimension est comprise entre 1 et 100 nanomètres, Regan et son équipe espèrent découvrir de nouvelles façons de synthétiser des matériaux en vrac plus performants. Les propriétés recherchées des matériaux dans les refroidisseurs thermoélectriques hautes performances sont une bonne conductivité électrique et une mauvaise conductivité thermique, mais ces propriétés s'excluent presque toujours mutuellement. Cependant, une combinaison gagnante pourrait être trouvée dans des structures presque bidimensionnelles comme celles que l'équipe de Regan a créées.
Une autre caractéristique distinctive du « réfrigérateur » nanométrique de l'équipe est qu'il peut réagir presque instantanément.
"Sa petite taille le rend des millions de fois plus rapide qu'un réfrigérateur qui a un volume d'un millimètre cube, et ce serait déjà des millions de fois plus rapide que le frigo que vous avez dans votre cuisine, " a déclaré Regan.
"Une fois que nous comprenons comment fonctionnent les refroidisseurs thermoélectriques au niveau atomique et quasi atomique, " il a dit, "nous pouvons passer à l'échelle macro, où est le gros gain."
