Les machines et les appareils électroniques génèrent souvent une chaleur résiduelle difficile à exploiter. Si de l'électricité pouvait être générée à partir de cette chaleur perdue, cela offrirait un moyen de production d'énergie propre et durable :une telle technologie serait parfaitement adaptée aux applications électroniques à faible consommation telles que les appareils portables ou les appareils Internet des objets à faible coût. Cela inclut, par exemple, les appareils et capteurs portables (médicaux), avec un large éventail d'applications dans l'industrie de la santé et du sport, dans les bâtiments intelligents et les applications de mobilité.

Les générateurs thermoélectriques, machines qui génèrent de l'électricité en exploitant les différences de température, existent déjà mais leur rendement de conversion est généralement faible et peu d'électricité est produite. Produire plus d'électricité nécessiterait des matériaux qui ont simultanément une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. Cependant, ces deux exigences s'excluent souvent mutuellement.

Les points quantiques comme solution

Au cours des dernières années, plusieurs groupes de recherche du monde entier ont montré que la conversion thermoélectrique peut être grandement améliorée en exploitant les effets quantiques. Par exemple, en utilisant des points quantiques qui agissent comme des filtres d'énergie hautement sélectifs, des augmentations drastiques de l'efficacité de conversion ont été signalées, certaines approchant même certaines des limites fixées par les lois de la thermodynamique. Le problème :les machines quantiques, également appelées moteurs thermiques quantiques, doivent être refroidies à des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, ce qui n'est donc guère utile dans la vie de tous les jours.

Des chercheurs de l'Empa pourraient peut-être surmonter ce problème et créer un moteur thermique quantique fonctionnant à température ambiante. Mickael L. Perrin, chercheur au sein du laboratoire Empa Transport at Nanoscale dirigé par Michel Calame, a eu l'idée d'utiliser des nanorubans de graphène, une spécialité de l'Empa. Les tout premiers nanorubans de graphène ont été synthétisés par un autre groupe de recherche de l'Empa :Roman Fasel et ses collègues du laboratoire Nanotech@Surfaces de l'Empa. Depuis plusieurs années, les chercheurs de l'Empa travaillent sur différentes approches pour créer des dispositifs électroniques à partir de tels nanorubans.

Fonctionnement à température ambiante à l'aide de nanorubans de graphène

Mickael L. Perrin a déjà réussi à faire en sorte que les nanorubans de graphène se comportent comme des points quantiques, certains d'entre eux étant stables jusqu'à une température de -123 degrés Celsius, c'est-à-dire à des températures bien plus élevées que les points quantiques utilisés auparavant pour la conversion thermoélectrique. L'objectif est maintenant d'intégrer de tels nanorubans de graphène dans un moteur thermique quantique et de le faire fonctionner à température ambiante. Comme les nanorubans ne mesurent que quelques nanomètres, leur contact nécessitera le développement de techniques de fabrication spéciales, qui seront mises en œuvre au Binnig and Rohrer Nanotechnology Center du IBM Research Center de Rüschlikon. De plus, des systèmes de mesure conçus sur mesure seront nécessaires pour caractériser l'efficacité de la conversion énergétique.

Si tout se passe comme prévu, Perrin pourrait créer un petit moteur thermique sur puce dans les années à venir. Non seulement il pourrait générer de l'électricité à partir de la chaleur perdue, mais à l'inverse, en inversant le principe de fonctionnement, il serait adapté à un refroidissement efficace.

Fort de ses deux bourses de recherche couronnées de succès, Mickael L. Perrin commencera dans les prochains mois son poste de professeur assistant à l'ETH Zurich, dans le département des technologies de l'information et de l'électrotechnique. Au cours des prochaines années, il poursuivra ses recherches à l'Empa, où des équipements de pointe sont disponibles pour la caractérisation thermoélectrique des moteurs thermiques quantiques.

Espérons qu'une solution temporaire

Le projet de Perrin est financé par le FNS et le Secrétariat d'Etat à la formation, à la recherche et à l'innovation (SEFRI). En raison de l'échec de l'accord-cadre entre la Suisse et l'UE, la Suisse est exclue du programme de recherche européen actuel, Horizon Europe. Pour intervenir, les subventions ERC Starting Grants sont financées directement par le SEFRI cette année. C'est le seul moyen de retenir les jeunes chercheurs de haut niveau en Suisse. Afin de recevoir le financement alloué directement de l'UE, Mickael L. Perrin et les 27 autres boursiers de Suisse devraient déménager dans une université étrangère faisant partie de l'Espace européen de la recherche. + Explorer plus loin

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