La ricerca di materiali nuovi e più efficienti che coinvolgano composizioni chimiche complesse è stata ad alta intensità di lavoro, richiedendo test sperimentali di ciascuna nuova composizione multimateriale proposta e spesso ha comportato l'uso di elementi tossici o rari. In un articolo pubblicato sulla rivista Science , i ricercatori dell'Università di Houston e della Rice University riferiscono di un nuovo approccio per prevedere la realizzazione della convergenza delle bande in una serie di materiali.

Dopo aver dimostrato che un materiale così progettato, un composto Zintl di tipo p, avrebbe offerto prestazioni termoelettriche altamente efficienti, hanno fabbricato un modulo termoelettrico e hanno riportato un'efficienza di conversione da calore a elettricità superiore al 10% con una differenza di temperatura di 475 Kelvin, o circa 855 gradi Fahrenheit.

Zhifeng Ren, direttore del Texas Center for Superconductivity presso UH (TcSUH) e autore corrispondente dell'articolo, ha affermato che le prestazioni dei materiali sono rimaste stabili per più di due anni.

Sebbene siano stati utilizzati diversi approcci per migliorare l'efficienza, un concetto noto come convergenza della banda elettronica ha attirato l'attenzione per il suo potenziale di miglioramento delle prestazioni termoelettriche.

"Normalmente è difficile ottenere prestazioni elevate dai materiali termoelettrici perché non tutte le bande elettroniche di un materiale contribuiscono", ha affermato Ren. "È ancora più difficile realizzare un materiale complesso in cui tutte le band lavorano contemporaneamente per ottenere la migliore performance."

Per questo lavoro, ha detto, gli scienziati si sono innanzitutto concentrati sull'elaborazione di un calcolo per determinare come costruire un materiale in cui tutte le diverse bande di energia possano contribuire alla prestazione complessiva. Hanno poi dimostrato che il calcolo funzionava sia nella pratica che in teoria, costruendo un modulo per verificare ulteriormente le elevate prestazioni ottenute a livello di dispositivo.

La convergenza di banda è considerata un buon approccio per migliorare i materiali termoelettrici perché aumenta il fattore di potenza termoelettrico, che è correlato alla potenza di uscita effettiva del modulo termoelettrico. Ma fino ad ora, la scoperta di nuovi materiali con una forte convergenza delle bande richiedeva molto tempo e comportava molte false partenze.

"L'approccio standard è quello per tentativi ed errori", ha affermato Ren, che è anche titolare della cattedra di fisica della materia condensata di Paul C.W. Chu e May P. Chern presso la UH. "Invece di fare molti esperimenti, questo metodo ci permette di eliminare possibilità non necessarie che non daranno risultati migliori."

Per prevedere in modo efficiente come creare il materiale più efficace, i ricercatori hanno utilizzato una lega Zintl ad alta entropia, YbxCa_1-x MgyZn_2-y Sb₂ , come caso di studio, progettando una serie di composizioni attraverso le quali la convergenza delle bande è stata ottenuta simultaneamente in tutte le composizioni.

Ren ha descritto come funziona in questo modo:se una squadra di 10 persone tenta di sollevare un oggetto, i membri più alti porteranno la maggior parte del carico mentre i membri più bassi non contribuiranno altrettanto. Nella convergenza della banda, l'obiettivo è rendere tutti i membri del gruppo della band più simili:i membri alti della band sarebbero più bassi, in questo esempio, e quelli bassi più alti, in modo che tutti possano contribuire a sostenere il carico complessivo.

Qui, i ricercatori hanno iniziato con quattro composti originari contenenti cinque elementi in totale – itterbio, calcio, magnesio, zinco e antimonio – eseguendo calcoli per determinare quali combinazioni dei composti originari potrebbero raggiungere la convergenza di banda. Una volta determinato ciò, hanno scelto la migliore tra queste composizioni ad alte prestazioni per costruire il dispositivo termoelettrico.

"Senza questo metodo, dovresti sperimentare e provare tutte le possibilità", ha detto Xin Shi, uno studente laureato dell'UH nel gruppo di Ren e autore principale dell'articolo. "Non c'è altro modo per farlo. Ora, prima eseguiamo un calcolo, progettiamo un materiale, quindi lo realizziamo e lo testiamo."

Il metodo di calcolo potrebbe essere utilizzato anche per altri materiali multi-composto, consentendo ai ricercatori di utilizzare questo approccio per creare nuovi materiali termoelettrici. Una volta identificati i composti principali corretti, il calcolo determina quale rapporto di ciascuno dovrebbe essere utilizzato nella lega finale.

Oltre a Ren e Shi, gli autori dell'articolo includono il dottor Shaowei Song, ricercatore presso il Texas Center for Superconductivity, e il dottor Guanhui Gao del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria della Rice. Gao ora è alla UH.