Se vogliamo prevenire l'imminente crisi ambientale, è imperativo trovare modi efficienti e sostenibili per evitare di sprecare. Un settore con ampi margini di miglioramento è il riciclaggio del calore di scarto dei processi industriali e dei dispositivi tecnologici in elettricità. I materiali termoelettrici sono al centro della ricerca in questo campo perché consentono di generare energia pulita a costi contenuti.

Per materiali termoelettrici da utilizzare in campi molto diversi come acciaierie e trasporti, devono essere in grado di operare sia a regimi di alta che a bassa temperatura. A questo proposito, le leghe semi-Heusler a base di Ni sono attualmente sotto i riflettori grazie alla loro interessante efficienza termoelettrica, resistenza meccanica, e durata. Sebbene molti sforzi siano stati dedicati alla comprensione e al miglioramento di queste particolari leghe, gli scienziati hanno trovato difficile chiarire perché le leghe semi-Heusler a base di Ni hanno un'efficienza di conversione così elevata. Alcuni hanno teorizzato che i difetti nella struttura cristallina del materiale ne aumentino la conducibilità termica e, a sua volta, sua efficienza di conversione. Però, la struttura cristallina attorno ai difetti è sconosciuta, così come i loro contributi specifici.

In un recente studio pubblicato su Rapporti scientifici , un team di scienziati dal Giappone e dalla Turchia, guidato dal Professore Associato Hidetoshi Miyazaki del Nagoya Institute of Technology, Giappone, ora ho cercato di chiarire questo problema! La loro ricerca ha combinato analisi teoriche e sperimentali sotto forma di simulazioni di strutture cristalline su larga scala e spettri di struttura fine di assorbimento di raggi X (XAFS) su leghe di NiZrSn.

Utilizzando queste tecniche, il team ha prima calcolato gli effetti strutturali che un atomo di Ni aggiuntivo (difetto) avrebbe nella disposizione dei cristalli di NiZrSn. Quindi, hanno verificato le previsioni teoriche attraverso diversi tipi di misurazioni XAFS, come spiega il dottor Miyazaki, "Nel nostro quadro teorico, abbiamo ipotizzato che le distorsioni del reticolo cristallino siano una conseguenza di difetti atomici per eseguire calcoli della struttura a bande dei primi principi. XAFS ha permesso di ottenere informazioni dettagliate sulla struttura cristallina locale attorno ai difetti atomici confrontando gli spettri sperimentali e teorici della struttura cristallina." Queste osservazioni hanno permesso agli scienziati di quantificare con precisione la deformazione che i difetti di Ni causano negli atomi vicini. Hanno anche analizzato i meccanismi attraverso i quali queste alterazioni danno luogo ad una maggiore conducibilità termica (ed efficienza di conversione).

I risultati di questo studio saranno cruciali per il progresso della tecnologia termoelettrica, come osserva il Dr. Miyazaki:"Ci aspettiamo che i nostri risultati contribuiranno allo sviluppo di una strategia incentrata sul controllo della deformazione attorno agli atomi difettosi, che a sua volta ci consentirà di progettare nuovi e migliori materiali termoelettrici". questo porterà a un salto nella tecnologia di conversione termoelettrica e accelererà il passaggio a un sistema meno dispendioso, società decarbonizzata, in cui il calore in eccesso non viene semplicemente scartato ma invece recuperato come fonte di energia.

In una nota finale, Il Dr. Miyazaki sottolinea che le tecniche utilizzate per osservare i sottili cambiamenti di deformazione nelle strutture cristalline possono essere facilmente adattate ad altri tipi di materiale, come quelli destinati ad applicazioni spintroniche e catalizzatori.

C'è sicuramente molto da guadagnare dall'andare alla ricerca dei minimi dettagli nella scienza dei materiali, e possiamo essere certi che questo studio segna un passo nella giusta direzione verso un futuro migliore!