Cosa succede se si potrebbe eseguire il condizionatore d’aria non sull’elettricità convenzionale, ma sul calore del sole durante una calda giornata estiva? Con i progressi nella tecnologia termoelettrica, questa soluzione sostenibile potrebbe un giorno diventare una realtà.
I dispositivi termoelettrici sono realizzati con materiali in grado di convertire una differenza di temperatura in elettricità, senza richiedere parti in movimento — una qualità che rende i termoelettrici una fonte di elettricità potenzialmente attraente. Il fenomeno è reversibile: se l’elettricità viene applicata a un dispositivo termoelettrico, può produrre una differenza di temperatura. Oggi, i dispositivi termoelettrici sono utilizzati per applicazioni relativamente a bassa potenza, come l’alimentazione di piccoli sensori lungo gli oleodotti, il backup di batterie su sonde spaziali e il raffreddamento di minifridge.
Ma gli scienziati sperano di progettare dispositivi termoelettrici più potenti che raccoglieranno il calore — prodotto come sottoprodotto dei processi industriali e dei motori a combustione — e trasformeranno quel calore altrimenti sprecato in elettricità. Tuttavia, l’efficienza dei dispositivi termoelettrici, o la quantità di energia che sono in grado di produrre, è attualmente limitata.
Ora i ricercatori del MIT hanno scoperto un modo per aumentare tale efficienza tre volte, utilizzando materiali “topologici”, che hanno proprietà elettroniche uniche. Mentre il lavoro passato ha suggerito che i materiali topologici possono servire come sistemi termoelettrici efficienti, c’è stata poca comprensione di come gli elettroni in tali materiali topologici avrebbero viaggiato in risposta alle differenze di temperatura al fine di produrre un effetto termoelettrico.
In un articolo pubblicato questa settimana negli Atti della National Academy of Sciences, i ricercatori del MIT identificano la proprietà sottostante che rende alcuni materiali topologici un materiale termoelettrico potenzialmente più efficiente, rispetto ai dispositivi esistenti.
“Abbiamo scoperto che possiamo spingere i confini di questo materiale nanostrutturato in un modo che rende i materiali topologici un buon materiale termoelettrico, più dei semiconduttori convenzionali come il silicio”, afferma Te-Huan Liu, un postdoc nel Dipartimento di Ingegneria meccanica del MIT. “Alla fine, questo potrebbe essere un modo di energia pulita per aiutarci a utilizzare una fonte di calore per generare elettricità, che ridurrà il nostro rilascio di anidride carbonica.”
Liu è primo autore del PNAS carta, che comprende laureati Jiawei Zhou Zhiwei Ding, e Qichen Canzone; Mingda Li, professore assistente presso il Dipartimento di Scienza Nucleare e Ingegneria; ex studente laureato Bolin Liao, attualmente assistant professor presso l’Università della California a Santa Barbara; Liang Fu, il Biedenharn Professore Associato di Fisica; e Gang Chen, il professore Soderberg e capo del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.
Un percorso percorso liberamente
Quando un materiale termoelettrico è esposto a un gradiente di temperatura — ad esempio, un’estremità viene riscaldata, mentre l’altra viene raffreddata — gli elettroni in quel materiale iniziano a fluire dall’estremità calda all’estremità fredda, generando una corrente elettrica. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la corrente elettrica prodotta e maggiore è la potenza generata. La quantità di energia che può essere generata dipende dalle particolari proprietà di trasporto degli elettroni in un dato materiale.
Gli scienziati hanno osservato che alcuni materiali topologici possono essere trasformati in dispositivi termoelettrici efficienti attraverso la nanostrutturazione, una tecnica che gli scienziati usano per sintetizzare un materiale modellando le sue caratteristiche alla scala dei nanometri. Gli scienziati hanno pensato che il vantaggio termoelettrico dei materiali topologici deriva da una ridotta conduttività termica nelle loro nanostrutture. Ma non è chiaro come questo miglioramento dell’efficienza si colleghi alle proprietà topologiche intrinseche del materiale.
Per cercare di rispondere a questa domanda, Liu ei suoi colleghi hanno studiato le prestazioni termoelettriche del tellururo di stagno, un materiale topologico che è noto per essere un buon materiale termoelettrico. Gli elettroni nel tellururo di stagno mostrano anche proprietà peculiari che imitano una classe di materiali topologici noti come materiali di Dirac.
Il team mirava a comprendere l’effetto della nanostrutturazione sulle prestazioni termoelettriche del tellururo di stagno, simulando il modo in cui gli elettroni viaggiano attraverso il materiale. Per caratterizzare il trasporto di elettroni, gli scienziati usano spesso una misurazione chiamata “percorso libero medio”, o la distanza media che un elettrone con una data energia percorrerebbe liberamente all’interno di un materiale prima di essere disperso da vari oggetti o difetti in quel materiale.
I materiali nanostrutturati assomigliano a un mosaico di minuscoli cristalli, ognuno con bordi, noti come confini di grano, che separano un cristallo dall’altro. Quando gli elettroni incontrano questi confini, tendono a disperdersi in vari modi. Gli elettroni con percorsi liberi medi lunghi si disperderanno fortemente, come i proiettili che rimbalzano su un muro, mentre gli elettroni con percorsi liberi medi più brevi sono molto meno colpiti.
Nelle loro simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che le caratteristiche degli elettroni del tellururo di stagno hanno un impatto significativo sui loro percorsi liberi medi. Hanno tracciato la gamma di energie di elettroni del tellururo di stagno contro i percorsi liberi medi associati e hanno trovato che il grafico risultante sembrava molto diverso da quelli per la maggior parte dei semiconduttori convenzionali. In particolare, per il tellururo di stagno e possibilmente altri materiali topologici, i risultati suggeriscono che gli elettroni con energia più elevata hanno un percorso libero medio più breve, mentre gli elettroni a bassa energia di solito possiedono un percorso libero medio più lungo.
Il team ha quindi esaminato come queste proprietà degli elettroni influenzano le prestazioni termoelettriche del tellururo di stagno, riassumendo essenzialmente i contributi termoelettrici degli elettroni con energie diverse e percorsi liberi medi. Si scopre che la capacità del materiale di condurre elettricità, o generare un flusso di elettroni, sotto un gradiente di temperatura, dipende in gran parte dall’energia degli elettroni.
In particolare, hanno scoperto che gli elettroni a bassa energia tendono ad avere un impatto negativo sulla generazione di una differenza di tensione e quindi di corrente elettrica. Questi elettroni a bassa energia hanno anche percorsi liberi medi più lunghi, il che significa che possono essere dispersi dai confini del grano più intensamente degli elettroni ad energia superiore.
Dimensionamento
Andando un ulteriore passo avanti nelle loro simulazioni, il team ha giocato con la dimensione dei singoli grani di tellururo di stagno per vedere se questo ha avuto alcun effetto sul flusso di elettroni sotto un gradiente di temperatura. Hanno scoperto che quando hanno ridotto il diametro di un grano medio a circa 10 nanometri, avvicinando i suoi confini, hanno osservato un maggiore contributo da elettroni di energia superiore.
Cioè, con granulometrie più piccole, gli elettroni di energia superiore contribuiscono molto di più alla conduzione elettrica del materiale rispetto agli elettroni di energia inferiore, poiché hanno percorsi liberi medi più brevi e hanno meno probabilità di disperdersi contro i confini del grano. Ciò si traduce in una maggiore differenza di tensione che può essere generata.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la riduzione della granulometria media del tellururo di stagno a circa 10 nanometri produceva tre volte la quantità di elettricità che il materiale avrebbe prodotto con grani più grandi.
Liu dice che mentre i risultati si basano su simulazioni, i ricercatori possono ottenere prestazioni simili sintetizzando tellururo di stagno e altri materiali topologici, e regolando la loro granulometria utilizzando una tecnica di nanostrutturazione. Altri ricercatori hanno suggerito che la riduzione della granulometria di un materiale potrebbe aumentare le sue prestazioni termoelettriche, ma Liu dice che hanno per lo più ipotizzato che la dimensione ideale sarebbe molto più grande di 10 nanometri.
“Nelle nostre simulazioni, abbiamo scoperto che possiamo ridurre la granulometria di un materiale topologico molto più di quanto si pensasse in precedenza e, sulla base di questo concetto, possiamo aumentarne l’efficienza”, afferma Liu.
Il tellururo di stagno è solo un esempio di molti materiali topologici che devono ancora essere esplorati. Se i ricercatori possono determinare la granulometria ideale per ciascuno di questi materiali, Liu dice che i materiali topologici potrebbero presto essere un’alternativa praticabile e più efficiente alla produzione di energia pulita.
“Penso che i materiali topologici siano molto buoni per i materiali termoelettrici e i nostri risultati mostrano che questo è un materiale molto promettente per le applicazioni future”, afferma Liu.
Questa ricerca è stata supportata in parte dal Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, un centro di ricerca di frontiera energetica del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti; e dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).