Esplorando un'area trascurata da altri scienziati, i fisici del National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University hanno scoperto che una classe di materiali chiamata "1-2-20" ha proprietà termoelettriche molto promettenti, aprendo le porte a ulteriori ricerche su questi affascinanti materiali.

Lo studio è stato pubblicato su Progressi scientifici .

I dispositivi termoelettrici possono produrre elettricità se c'è una differenza di temperatura tra le due estremità. Possono anche fare il contrario:utilizzare l'elettricità per assorbire o rilasciare calore. Questa proprietà ha molte potenziali applicazioni, dalla refrigerazione senza compressore alla generazione di energia nello spazio fino al recupero di tutta l'energia sprecata dai motori delle auto (circa il 40 percento) che fuoriesce attraverso il calore.

"Non è energia gratuita, ", ha affermato il fisico di MagLab Ryan Baumbach, autore corrispondente sulla carta, "ma è la cosa migliore".

La maggior parte dei materiali ha un effetto termoelettrico molto limitato. Questo perché il trasferimento di elettricità attraverso un materiale e il trasferimento di calore di solito vanno di pari passo. Generalmente, la natura vuole mantenere il calore e la conducibilità elettrica collegati, ma per avere buone prestazioni termoelettriche, queste due proprietà devono essere disaccoppiate.

Circa due anni fa, Baumbach suggerì che Kaya Wei, il post-dottorato Jack Crow del MagLab e membro del gruppo di ricerca di Baumbach, studiare un materiale "1-2-20" che sembrava un buon candidato per la termoelettricità.

Il materiale specifico proposto da Baumbach presentava tre ingredienti di base in un rapporto "1-2-20":l'elemento itterbio; un metallo di transizione (cobalto, rodio o iridio); e l'elemento zinco. Baumbach aveva la sensazione che questo composto avesse le carte in regola, se manipolato adeguatamente nel suo laboratorio, per schernire la natura e scollegare la conduttività termica dalla conduttività termica.

Utilizzando forni ad alta temperatura nel laboratorio di Baumbach, Wei ha sintetizzato il composto in forma cristallina e ha sottoposto i campioni a una serie di misurazioni. I risultati hanno confermato che, a basse temperature, il materiale era infatti un promettente materiale termoelettrico.

Quindi era il momento di iniziare a giocare con le variabili per vedere cos'altro potevano scoprire.

"Composizioni diverse promuovono proprietà fisiche molto diverse, " ha detto Wei, l'autore principale del documento.

Costruire un termoelettrico migliore

I ricercatori volevano realizzare un materiale il più termoelettricamente ottimizzato possibile, una proprietà rappresentata da un parametro chiamato figura di merito termoelettrica (o ZT). Fare quello, avevano bisogno di modificare il loro cristallo per:1. Massimizzare la sua conduttività elettrica; 2. Ridurre al minimo la sua conduttività termica; e 3. Sviluppare una grande tensione quando viene applicato un piccolo gradiente di temperatura (cioè, quando un'estremità è leggermente più calda dell'altra), una proprietà misurata da un valore chiamato coefficiente di Seebeck.

Il primo obiettivo era il più semplice:il materiale era già un buon conduttore in gran parte grazie allo zinco e al metallo di transizione.

Gli altri obiettivi erano più complicati. Per raggiungere il secondo, gli scienziati avevano bisogno di sabotare i fononi che sono in gran parte responsabili del trasporto di calore. I fononi sono vibrazioni che si propagano attraverso il reticolo atomico tridimensionale di un materiale:in questo modo, l'energia assorbita da un atomo può incresparsi, atomo in atomo, su tutto il materiale.

Per fortuna, inerente alla struttura stessa dei materiali 1-2-20 era un modo per creare enormi blocchi stradali fononici.

Il cristallo creato da Wei aveva una struttura a gabbia comprendente 20 atomi di zinco che ospitavano un atomo di itterbio. L'atomo di itterbio sferraglia nella gabbia, interferire con la capacità dei fononi di dissipare il calore attraverso il materiale.

La grande cella unitaria del cristallo rafforza questo effetto. I fononi sono sparsi ovunque.

L'itterbio presta un altro ingrediente importante al successo termoelettrico del composto. Contiene un tipo di elettrone chiamato "elettrone f". Senza diventare troppo meccanica quantistica, f gli elettroni tendono a rimanere abbastanza vicini al nucleo per mantenere un carattere magnetico. In itterbio e alcuni altri casi speciali, però, Gli elettroni f oscillano tra l'aggrapparsi al nucleo e l'avventurarsi verso gli atomi vicini.

"Gli elettroni itterbio f sono speciali perché hanno una dualità tra essere localizzati e delocalizzati, " ha spiegato Baumbach. "Questo aiuta a spiegare il grande coefficiente di Seebeck del materiale".

Prossimi passi

Ora che hanno scoperto e compreso meglio questa ricetta per la termoelettricità, Baumbach e Wei stanno esplorando ulteriormente.

I valori ZT dei composti che hanno testato raggiungono il picco a temperature molto basse, circa -400 gradi Fahrenheit o -240 gradi Celsius. Ciò sarebbe utile nello spazio o solo per altre applicazioni a bassa temperatura. Ma sperimentando gli ingredienti specifici nei loro 1-2-20 anni, gli scienziati dicono che possono ottenere risultati diversi.

"Ci sono così tante varianti chimiche per la famiglia di composti 1-2-20, " Wei ha detto. "Non è solo che cambieresti il ​​​​100 percento di un elemento o di un altro, ma potresti fare una sostituzione chimica. E la nostra speranza è, nel farlo, saremo in grado di muoverci intorno alla temperatura in cui il valore ZT raggiunge il picco e trovare materiali per diverse applicazioni."

Sebbene soddisfatti del loro successo, Baumbach e Wei sembrano ancora più entusiasti di aver aperto una nuova lattina di vermi con la loro scienza che attirerà stormi di altri ricercatori.

"Questi ragazzi sono solo alcuni esempi di una grande famiglia di materiali, " ha detto Baumbach. "Pensiamo che questo lavoro stimolerà molto interesse da parte di gruppi al di fuori del nostro".