I materiali termoelettrici sono considerati una risorsa chiave per il futuro, in grado di produrre elettricità da fonti di calore che altrimenti andrebbero sprecate, dalle centrali elettriche, terminali di scarico dei veicoli e altrove, senza generare ulteriori gas serra. Sebbene siano stati scoperti numerosi materiali con proprietà termoelettriche, la maggior parte produce poca energia per le applicazioni pratiche.

Un team di ricercatori - provenienti da università degli Stati Uniti e della Cina, così come l'Oak Ridge National Laboratory - sta segnalando un nuovo meccanismo per aumentare le prestazioni attraverso una maggiore mobilità del vettore, aumentando la velocità con cui gli elettroni portatori di carica possono spostarsi attraverso il materiale. Il lavoro, segnalato questa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , si è concentrato su un materiale magnesio-antimonio di tipo n scoperto di recente con una figura di merito termoelettrica relativamente alta, ma l'autore principale Zhifeng Ren ha affermato che il concetto potrebbe applicarsi anche ad altri materiali.

"Quando migliori la mobilità, migliori il trasporto degli elettroni e le prestazioni complessive, " disse Ren, M.D. Anderson Professore alla cattedra di fisica presso l'Università di Houston e ricercatore principale presso il Texas Center for Superconductivity all'UH.

I materiali termoelettrici producono elettricità sfruttando il flusso di corrente termica da una zona più calda ad una zona più fredda, e la loro efficienza è calcolata come la misura di quanto bene il materiale converte il calore in energia. Però, perché il calore disperso è una fonte di combustibile abbondante e gratuita, il tasso di conversione è meno importante della quantità totale di energia che può essere prodotta, ha detto Ren. Ciò ha spinto i ricercatori a cercare modi per migliorare il fattore di potenza dei materiali termoelettrici.

Paul Ching Wu Chu, TLL Temple Chair of Science, direttore fondatore e capo scienziato del Texas Center for Superconductivity, ha osservato che Ren in precedenza aveva dimostrato l'importanza del fattore di potenza di un materiale nel determinare quanto bene funzionerà in un dispositivo termoelettrico. Chu è coautore di questo lavoro più recente, che ha detto "dimostra nei materiali a base di magnesio-antimonio di tipo n che il fattore di potenza può effettivamente essere aumentato regolando adeguatamente la dispersione del vettore nel materiale".

"Ciò fornisce una nuova strada per dispositivi termoelettrici più potenti, " Ha aggiunto.

I semiconduttori termoelettrici sono disponibili in due varianti, tipo n, creato sostituendo un elemento risultante in un elettrone "libero" per portare la carica, e di tipo p, in cui l'elemento che sostituisce ha un elettrone in meno rispetto all'elemento che ha sostituito, lasciando un "buco" che facilita il movimento di energia mentre gli elettroni si muovono attraverso il materiale per riempire il punto vuoto.

Il lavoro riportato in PNAS risponde alla necessità di un composto magnesio-antimonio di tipo n più potente, espandendo il suo potenziale come materiale termoelettrico che può essere accoppiato con un efficace materiale magnesio-antimonio di tipo p, che era stato precedentemente segnalato.

Il fattore di potenza del materiale può essere potenziato aumentando la mobilità del vettore, hanno detto i ricercatori. "Qui riportiamo un sostanziale miglioramento della mobilità dei portatori sintonizzando il meccanismo di diffusione dei portatori nei materiali a base di Mg3Sb2 di tipo n, " hanno scritto. "... I nostri risultati dimostrano chiaramente che la strategia di sintonizzazione del meccanismo di diffusione della portante è abbastanza efficace per migliorare la mobilità e dovrebbe essere applicabile anche ad altri sistemi materiali".

I ricercatori hanno sostituito una piccola frazione di magnesio nel composto con una varietà di elementi di metalli di transizione, compreso il ferro, cobalto, afnio e tantalio, determinare il modo migliore per aumentare la mobilità dei vettori e, attraverso quello, il fattore di potenza del materiale.

"Il nostro lavoro, " concludono i ricercatori, "dimostra che il meccanismo di diffusione del vettore potrebbe svolgere un ruolo vitale nelle proprietà termoelettriche del materiale, e il concetto di sintonizzazione del meccanismo di diffusione della portante dovrebbe essere ampiamente applicabile a una varietà di sistemi di materiali".