Il mantra 'riduci, riutilizzare, riciclare' è sempre più pertinente. Ogni anno, enormi quantità di energia che potrebbero essere catturate e riutilizzate vengono perse attraverso il calore di scarto. Ora, Gli scienziati di A*STAR hanno dimostrato, attraverso calcoli teorici, che potrebbe essere possibile fabbricare polimeri organici termoelettrici in grado di convertire il calore in energia elettrica con elevata efficienza.

I materiali termoelettrici (TE) funzionano rispondendo alle differenze di temperatura, inducendo i portatori di carica elettrica a fluire dal lato caldo a quello freddo del materiale. I materiali TE sono già utilizzati per alimentare la refrigerazione, e per una produzione di energia limitata. Un materiale TE efficace deve avere un'elevata conduttività elettrica, bassa conducibilità termica, e un alto 'coefficiente di Seebeck' – la tensione generata per grado di differenza di temperatura attraverso il materiale. Però, è raro che un materiale soddisfi tutte queste condizioni, il che significa che i materiali TE esistenti sono limitati in termini di efficienza.

"Un modo per migliorare le prestazioni TE è usare il doping, aggiungendo determinate sostanze chimiche al materiale per migliorarne la conduttività elettrica aumentando le concentrazioni di portatori di carica, "dice Shuo-Wang Yang, presso l'Institute of High Performance Computing di A*STAR, che guidava la squadra. "Però, il doping può anche interferire con la stabilità e le prestazioni dei materiali, e trovare un drogante che funzioni in modo efficace è impegnativo. Identificare i materiali TE che funzionano senza doping potrebbe trasformare la raccolta di energia".

Il team ha concentrato la propria attenzione sui polimeri di coordinazione della dorsale lineare, strutture contenenti ioni metallici legati da ligandi, che possono essere costruiti in laboratorio su disegni specifici. Questi polimeri presentano numerosi vantaggi rispetto ai materiali TE inorganici convenzionali; sono flessibili, hanno una bassa conducibilità termica e sono compatibili con gli organismi biologici. Però, hanno una bassa conduttività elettrica, una sfida che Yang e collaboratori hanno cercato di superare nella loro ricerca teorica.

"Sulla base della dinamica molecolare del primo principio e dell'ottimizzazione della struttura, abbiamo identificato un polimero chiamato poli(nichel-etilentetratiolato) e tre analoghi associati che dimostrano comportamenti intrinsecamente metallici e alta conduttività elettrica, " dice Yang. "Questo è eccitante in quanto suggerisce che questi polimeri sono potenziali materiali TE privi di dopanti".

Le analisi del team suggeriscono che questo comportamento metallico deriva dalla formazione di densi, interazioni molecolari di non legame tra atomi di zolfo o selenio all'interno delle strutture polimeriche. Queste interazioni rafforzano le forze tra gli atomi, diminuendo i band gap elettronici e incoraggiando il flusso di carica elettrica.

"Xu Jianwei, Kedar Hippalgaonkar, e i loro team presso l'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering stanno ora sintetizzando questi polimeri, " dice Yang. "Questi materiali sono molto promettenti, in particolare nelle applicazioni di recupero del calore residuo e refrigerazione vicino alla temperatura ambiente."