Secondo una stima ufficiale, produzione americana, trasporto, i consumatori residenziali e commerciali utilizzano solo il 40% circa dell'energia da cui attingono, sprecando il 60 per cento. Molto spesso, questa energia sprecata sfugge sotto forma di calore, o energia termica, da una tecnologia inefficiente che non riesce a raccogliere quella potenza potenziale.

Ora un team dell'Università del Massachusetts Amherst guidato dal chimico Dhandapani Venkataraman, "DV, " e l'ingegnere elettrico Zlatan Aksamija, segnala questo mese in Comunicazioni sulla natura in anticipo si delineano verso una più efficiente, più economico, raccolta di energia termica a base di polimeri.

"Sarà una sorpresa per il campo, " DV prevede, "Ci fornisce un'altra variabile chiave che possiamo modificare per migliorare l'efficienza termoelettrica dei polimeri. Questo dovrebbe farci, e altri, guarda i polimeri termoelettrici sotto una nuova luce."

Aksamija spiega, "L'utilizzo di polimeri per convertire l'energia termica in elettricità raccogliendo il calore di scarto ha visto un aumento di interesse negli ultimi anni. Il calore di scarto rappresenta sia un problema ma anche una risorsa; più calore viene sprecato nel processo, meno efficiente è." La raccolta del calore di scarto è meno difficile quando c'è un locale, fonte di gradiente ad alta temperatura con cui lavorare, Aggiunge, come una fonte di calore di alta qualità come una centrale elettrica.

I polimeri termoelettrici sono meno efficienti nella raccolta del calore rispetto ai polimeri rigidi, metodi inorganici costosi da produrre che sono tuttavia abbastanza efficienti, Aksamija aggiunge, ma vale la pena cercare i polimeri perché sono più economici da produrre e possono essere rivestiti su materiali flessibili, per avvolgere lo scarico di una centrale elettrica, Per esempio.

Recentemente, gli scienziati hanno affrontato questo ostacolo con un processo chiamato "doping". Con esso, i ricercatori mescolano componenti chimici o di altro tipo nei polimeri per migliorare la loro capacità di spostare le cariche elettriche e aumentare l'efficienza. DV dice, "Immagina di aver aggiunto gocce di cioccolato, un materiale che migliora la conduttività, a un biscotto. Questo è doping".

Ma il doping implica un compromesso, Aksamija aggiunge. Può ottenere più corrente e meno tensione indotta termicamente, o più tensione e meno corrente, ma non entrambi. "Se migliori una proprietà, peggiori l'altro, " lui spiega, "e può essere necessario un grande sforzo per decidere il miglior equilibrio, " o doping ottimale.

Per affrontare questo, DV e il suo dottorato di ricerca in chimica. studente Connor Boyle, con Aksamija e il suo dottorato di ricerca in ingegneria elettrica. studente Meenakshi Upadhyaya ha lavorato in quella che DV definisce "una vera collaborazione, "dove ogni intuizione delle simulazioni numeriche ha informato la successiva serie di esperimenti, e viceversa.

I chimici hanno condotto esperimenti, mentre il team di ingegneri ha eseguito analisi di efficienza lungo la curva da "doping zero" a "doping massimo" per identificare il miglior equilibrio per molti materiali diversi. Per l'enorme numero di simulazioni che hanno corso per testare centinaia di scenari, hanno usato il Massachusetts Green High Performance Computing Center nella vicina Holyoke.

dice Aksamija. "Ora possiamo dirti, per ogni dato materiale, qual è l'equilibrio ottimale delle due proprietà, e per un po', le persone erano soddisfatte solo di saperlo." Ma lungo la strada, Aggiunge, hanno scoperto una variabile completamente nuova che non era stata ancora presa in considerazione, uno che si è rivelato fondamentale per la capacità del polimero drogato di raccogliere energia termica in modo efficiente.

Lui dice, "L'analisi originale non arrivava alla questione della posizione dei componenti del doping, se i materiali si aggregano o meno e quanto si aggregano, o grappolo, come lo chiamiamo noi. Si scopre che il clustering è una variabile critica." Il team si è rivolto al chimico Michael Barnes, un coautore del loro recente articolo, che ha usato la Kelvin Probe Force Microscopy per sondare i droganti a livello nano e mostrare che il clustering è effettivamente presente nei polimeri drogati a temperatura ambiente, ma non a temperature più elevate.

Con quella conferma, i ricercatori si sono rivolti alla modellazione di una curva di trade-off espansa, dice Upadhyaya. Dalla loro modellizzazione teorica, lei e Aksamija hanno scoperto che il raggruppamento altera la forma di quella curva. Per migliorare l'efficienza oltre il compromesso corrente-tensione, si deve spostare l'intera curva di trade-off, lei dice.

Questa scoperta inaspettata dovrebbe fornire un nuovo percorso per la progettazione di polimeri più efficienti per dispositivi termoelettrici, dicono i ricercatori. DV nota che fino ad ora, chimici e scienziati dei materiali hanno cercato di organizzare i polimeri per essere più simili agli inorganici, "ben allineato e molto regolare, che è difficile da fare, " aggiunge. "Si scopre che questa potrebbe non essere la strada da percorrere; puoi prendere un'altra strada o un altro approccio. Speriamo che questo documento fornisca una base per far progredire i termoelettrici a base di polimeri".