Immagine al microscopio elettronico a trasmissione di scansione di un materiale composito di nichel-platino creato presso la Ohio State University. A sinistra, l'immagine è sovrapposta a mappe a falsi colori di elementi nel materiale, compreso platino (rosso), nichel (verde) e ossigeno (blu). Credito:immagini di Isabel Boona, Centro OSU per la microscopia elettronica e l'analisi; Immagine a sinistra preparata da Renee Ripley. Per gentile concessione dell'Ohio State University.
Gli stessi ricercatori che hanno aperto la strada all'uso di un effetto meccanico quantistico per convertire il calore in elettricità hanno scoperto come far funzionare la loro tecnica in una forma più adatta all'industria.
In Comunicazioni sulla natura , gli ingegneri della Ohio State University descrivono come hanno usato il magnetismo su un composto di nichel e platino per amplificare l'uscita di tensione 10 volte o più, non in un film sottile, come avevano fatto in precedenza, ma in un pezzo di materiale più spesso che ricorda più da vicino i componenti per i futuri dispositivi elettronici.
Molti dispositivi elettrici e meccanici, come i motori delle automobili, producono calore come sottoprodotto del loro normale funzionamento. Si chiama "calore disperso, " e la sua esistenza è richiesta dalle leggi fondamentali della termodinamica, ha spiegato il coautore dello studio Stephen Boona.
Ma un'area di ricerca in crescita chiamata termoelettrico a stato solido mira a catturare quel calore disperso all'interno di materiali appositamente progettati per generare energia e aumentare l'efficienza energetica complessiva.
"Più della metà dell'energia che utilizziamo viene sprecata ed entra nell'atmosfera sotto forma di calore, " disse Boona, un ricercatore post-dottorato presso l'Ohio State. "La termoelettrica a stato solido può aiutarci a recuperare parte di quell'energia. Questi dispositivi non hanno parti mobili, non stancarti, sono robusti e non richiedono manutenzione. Sfortunatamente, ad oggi, sono anche troppo costosi e non abbastanza efficienti da garantirne un uso diffuso. Stiamo lavorando per cambiarlo".
Nel 2012, lo stesso gruppo di ricerca dello Stato dell'Ohio, guidato da Joseph Heremans, dimostrato che i campi magnetici potrebbero aumentare un effetto meccanico quantistico chiamato effetto spin Seebeck, e, a sua volta, aumentare l'uscita di tensione di film sottili realizzati con materiali esotici nanostrutturati da pochi microvolt a pochi millivolt.
In quest'ultimo anticipo, hanno aumentato la produzione di un composto di due metalli molto comuni, nichel con una spolverata di platino, da pochi nanovolt a decine o centinaia di nanovolt, una tensione più piccola, ma in un dispositivo molto più semplice che non richiede nanofabbricazione e può essere facilmente scalato per l'industria.
Heremans, un professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e l'Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology, detto questo, in una certa misura, l'uso della stessa tecnica in pezzi di materiale più spesso richiedeva che lui e il suo team ripensassero le equazioni che governano la termodinamica e la termoelettricità, che sono stati sviluppati prima che gli scienziati conoscessero la meccanica quantistica. E mentre la meccanica quantistica riguarda spesso i fotoni, onde e particelle di luce, la ricerca di Heremans riguarda i magnoni, onde e particelle di magnetismo.
"Fondamentalmente, la termodinamica classica riguarda i motori a vapore che utilizzano il vapore come fluido di lavoro, o motori a reazione o motori di automobili che utilizzano l'aria come fluido di lavoro. I termoelettrici usano gli elettroni come fluido di lavoro. E in questo lavoro, stiamo usando quanti di magnetizzazione, o 'magnons, ' come un fluido di lavoro, " disse Heremans.
La ricerca sulla termodinamica a base di magnon è stata fino ad ora sempre condotta su film sottili, forse spessi solo pochi atomi, e anche i film più performanti producono tensioni molto piccole.
Nel documento del 2012, il suo team ha descritto di colpire gli elettroni con i magnoni per spingerli attraverso i materiali termoelettrici. Nell'attuale documento di Nature Communications, hanno dimostrato che la stessa tecnica può essere utilizzata in pezzi sfusi di materiali compositi per migliorare ulteriormente il recupero del calore di scarto.
Invece di applicare una sottile pellicola di platino sopra un materiale magnetico come avrebbero potuto fare prima, i ricercatori hanno distribuito una quantità molto piccola di nanoparticelle di platino in modo casuale in un materiale magnetico, in questo caso, nichel. Il composito risultante ha prodotto un'uscita di tensione potenziata a causa dell'effetto di rotazione Seebeck. Ciò significa che per una data quantità di calore, il materiale composito ha generato più energia elettrica di quanto entrambi i materiali potessero da soli. Poiché l'intero pezzo di composito è elettricamente conduttore, altri componenti elettrici possono prelevare la tensione da esso con maggiore efficienza rispetto a un film.
Anche se il composito non fa ancora parte di un dispositivo reale, Heremans è fiducioso che la prova di principio stabilita da questo studio ispirerà ulteriori ricerche che potrebbero portare ad applicazioni per i comuni generatori di calore di scarto, compresi i motori di auto e jet. L'idea è molto generale, Ha aggiunto, e può essere applicato a una varietà di combinazioni di materiali, consentendo approcci completamente nuovi che non richiedono metalli costosi come il platino o procedure di lavorazione delicate come la crescita del film sottile.
