Alla ricerca di soluzioni ai problemi ambientali sempre più gravi, come l'esaurimento dei combustibili fossili e il cambiamento climatico, molti si sono rivolti al potenziale dei materiali termoelettrici per generare energia. Questi materiali esibiscono quello che è noto come effetto termoelettrico, che crea una differenza di tensione quando c'è un gradiente di temperatura tra i lati del materiale. Questo fenomeno può essere sfruttato per produrre energia elettrica sfruttando l'enorme quantità di calore disperso che l'attività umana genera, come quello delle automobili e delle centrali termiche, fornendo così un'alternativa ecologica per soddisfare il nostro fabbisogno energetico.

Siliciuro di magnesio (Mg ₂ Si) è un materiale termoelettrico particolarmente promettente con un'elevata "figura di merito" (ZT), una misura delle sue prestazioni di conversione. Sebbene gli scienziati abbiano precedentemente notato che il doping di Mg ₂ Si con una piccola quantità di impurità migliora il suo ZT aumentando la sua conduttività elettrica e riducendo la sua conduttività termica, i meccanismi alla base di questi cambiamenti erano sconosciuti, fino ad ora.

In un recente studio congiunto pubblicato come articolo in primo piano in Lettere di fisica applicata , scienziati della Tokyo University of Science (TUS), il Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), e Shimane University, Giappone, hanno unito le forze per svelare i misteri dietro il miglioramento delle prestazioni di Mg ₂ Si drogato con antimonio (Sb). Dott. Masato Kotsugi di TUS, chi è l'autore corrispondente dello studio, spiega la loro motivazione:"Sebbene sia stato riscontrato che le impurità di Sb aumentano lo ZT di Mg ₂ si, i cambiamenti risultanti nella struttura locale e negli stati elettronici che causano questo effetto non sono stati chiariti sperimentalmente. Queste informazioni sono fondamentali per comprendere i meccanismi alla base delle prestazioni termoelettriche e migliorare la prossima generazione di materiali termoelettrici".

Ma come potrebbero analizzare gli effetti delle impurità di Sb sul Mg ₂ Si a livello atomico? La risposta sta nell'analisi della struttura fine di assorbimento dei raggi X estesa (EXAFS) e nella spettroscopia fotoelettronica a raggi X duri (HAXPES), come il dottor Masato Kotsugi e il signor Tomoyuki Kadono, chi è il primo autore dello studio, spiegare:"EXAFS ci consente di identificare la struttura locale attorno a un atomo eccitato e ha una forte sensibilità verso gli elementi diluiti (impurità) nel materiale, che possono essere identificati con precisione attraverso misurazioni di fluorescenza. D'altra parte, HAXPES ci consente di indagare direttamente gli stati elettronici in profondità all'interno della massa del materiale senza l'influenza indesiderata dell'ossidazione superficiale." Tecniche così potenti, però, non vengono eseguiti utilizzando attrezzature ordinarie. Gli esperimenti sono stati condotti a SPring-8, uno dei più importanti impianti di radiazione di sincrotrone a raggi X di grandi dimensioni al mondo, con l'aiuto del Dr. Akira Yasui e del Dr. Kiyofumi Nitta di JASRI.

Gli scienziati hanno integrato questi metodi sperimentali con calcoli teorici per far luce sugli effetti esatti delle impurità nel Mg ₂ Si. Questi calcoli teorici sono stati effettuati dalla dottoressa Naomi Hirayama della Shimane University. "La combinazione di calcoli teorici con la sperimentazione è ciò che ha prodotto risultati unici nel nostro studio, " lei dice.

Gli scienziati hanno scoperto che gli atomi di Sb prendono il posto degli atomi di Si nel Mg ₂ Si reticolo cristallino e introducono una leggera distorsione nelle distanze interatomiche. Questo potrebbe promuovere un fenomeno chiamato scattering fononico, che riduce la conduttività termica del materiale e a sua volta aumenta il suo ZT. Inoltre, perché gli atomi di Sb contengono un elettrone di valenza in più di Si, forniscono effettivamente portatori di carica aggiuntivi che colmano il divario tra le bande di valenza e di conduzione; in altre parole, Le impurità Sb sbloccano stati energetici che facilitano il salto di energia richiesto dagli elettroni per circolare. Di conseguenza, la conducibilità elettrica del Mg . drogato ₂ Si aumenta, e così fa il suo ZT.

Questo studio ha notevolmente approfondito la nostra comprensione del doping nei materiali termoelettrici, ei risultati dovrebbero servire da guida per l'ingegneria dei materiali innovativi. Dott. Tsutomu Iida, scienziato capo dello studio, dice:"Nella mia visione del futuro, il calore di scarto delle automobili viene efficacemente convertito in elettricità per alimentare una società rispettosa dell'ambiente". potremmo essere solo un passo più vicini alla realizzazione di questo sogno.