Un nuovo tipo di materiale genera corrente elettrica in modo molto efficiente dalle differenze di temperatura. Ciò consente ai sensori e ai piccoli processori di rifornirsi di energia in modalità wireless.

I materiali termoelettrici possono convertire il calore in energia elettrica. Ciò è dovuto al cosiddetto effetto Seebeck:se c'è una differenza di temperatura tra le due estremità di un tale materiale, la tensione elettrica può essere generata e la corrente può iniziare a fluire. La quantità di energia elettrica che può essere generata ad una data differenza di temperatura è misurata dal cosiddetto valore ZT:maggiore è il valore ZT di un materiale, migliori sono le sue proprietà termoelettriche.

I migliori termoelettrici fino ad oggi sono stati misurati a valori ZT di circa 2,5-2,8. Gli scienziati della TU Wien (Vienna) sono ora riusciti a sviluppare un materiale completamente nuovo con un valore ZT da 5 a 6. È un sottile strato di ferro, vanadio, tungsteno e alluminio applicati a un cristallo di silicio.

Il nuovo materiale è così efficace che potrebbe essere utilizzato per fornire energia a sensori o anche a piccoli processori di computer. Invece di collegare piccoli dispositivi elettrici ai cavi, potrebbero generare la propria elettricità dalle differenze di temperatura. Il nuovo materiale è stato presentato sulla rivista Natura .

Elettricità e temperatura

"Un buon materiale termoelettrico deve mostrare un forte effetto Seebeck, e deve soddisfare due importanti esigenze difficilmente conciliabili, " afferma il prof. Ernst Bauer dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. "Da un lato, dovrebbe condurre l'elettricità nel miglior modo possibile; d'altra parte, dovrebbe trasportare il calore il meno possibile. Questa è una sfida perché la conduttività elettrica e la conduttività termica sono solitamente strettamente correlate".

Al Laboratorio Christian Doppler per la Termoelettricità, che Ernst Bauer ha fondato alla TU Wien nel 2013, Negli ultimi anni sono stati studiati diversi materiali termoelettrici per diverse applicazioni. Questa ricerca ha ora portato alla scoperta di un materiale particolarmente notevole:una combinazione di ferro, vanadio, tungsteno e alluminio.

"Gli atomi in questo materiale sono solitamente disposti in uno schema strettamente regolare in un cosiddetto reticolo cubico a facce centrate, " dice Ernst Bauer. "La distanza tra due atomi di ferro è sempre la stessa, e lo stesso vale per gli altri tipi di atomi. L'intero cristallo è quindi completamente regolare."

Però, quando un sottile strato di materiale viene applicato al silicio, accade qualcosa di straordinario:la struttura cambia radicalmente. Sebbene gli atomi formino ancora uno schema cubico, ora sono disposti in una struttura centrata sullo spazio, e la distribuzione dei diversi tipi di atomi diventa del tutto casuale. "Due atomi di ferro possono sedersi uno accanto all'altro, i posti accanto a loro possono essere occupati da vanadio o alluminio, e non c'è più nessuna regola che detti dove si trova il prossimo atomo di ferro nel cristallo, " spiega Bauer.

Questa miscela di regolarità e irregolarità della disposizione atomica cambia anche la struttura elettronica, che determina come si muovono gli elettroni nel solido. "La carica elettrica si muove attraverso il materiale in un modo speciale, in modo che sia protetto dai processi di dispersione. Le porzioni di carica che viaggiano attraverso il materiale sono indicate come Weyl Fermions, " dice Ernst Bauer. In questo modo, si ottiene una resistenza elettrica molto bassa.

Vibrazioni reticolari, d'altra parte, che trasportano calore da luoghi ad alta temperatura a luoghi a bassa temperatura, sono inibiti dalle irregolarità nella struttura cristallina. Perciò, la conducibilità termica diminuisce. Questo è importante se l'energia elettrica deve essere generata in modo permanente da una differenza di temperatura, perché se le differenze di temperatura potessero equilibrarsi molto rapidamente e l'intero materiale avrebbe presto la stessa temperatura ovunque, l'effetto termoelettrico si fermerebbe.

Elettricità per l'Internet delle cose

"Certo, uno strato così sottile non può generare una quantità di energia particolarmente grande, ma ha il vantaggio di essere estremamente compatto e adattabile, ", afferma Ernst Bauer. "Vogliamo utilizzarlo per fornire energia a sensori e piccole applicazioni elettroniche". La domanda di generatori di questo tipo su piccola scala sta crescendo rapidamente:nell'"Internet delle cose, " sempre più dispositivi sono collegati tra loro online in modo da coordinare automaticamente il loro comportamento tra loro. Ciò è particolarmente promettente per i futuri impianti di produzione, dove una macchina deve reagire dinamicamente a un'altra.

"Se hai bisogno di un gran numero di sensori in una fabbrica, non puoi collegarli tutti insieme. È molto più intelligente per i sensori essere in grado di generare la propria energia utilizzando un piccolo dispositivo termoelettrico, "dice Bauer.