Approfittando dei recenti progressi nell'uso di calcoli teorici per prevedere le proprietà di nuovi materiali, i ricercatori hanno riferito giovedì la scoperta di una nuova classe di composti termoelettrici semi-Heusler, incluso uno con una cifra di merito record, una metrica utilizzata per determinare l'efficienza con cui un materiale termoelettrico può convertire il calore in elettricità.

"Ha mantenuto l'alta cifra di merito a tutte le temperature, quindi potenzialmente potrebbe essere importante nelle applicazioni lungo la strada, " ha detto il fisico Zhifeng Ren, direttore del Texas Center for Superconductivity presso l'Università di Houston (TcSUH) e autore corrispondente di un articolo che riporta il lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

I materiali termoelettrici hanno suscitato un crescente interesse nella comunità di ricerca come potenziale fonte di energia "pulita", prodotto quando il materiale converte il calore, spesso calore di scarto generato da centrali elettriche o altri processi industriali, in elettricità.

Sono stati scoperti numerosi materiali promettenti, sebbene la maggior parte non sia stata in grado di soddisfare tutti i requisiti per applicazioni commerciali diffuse. I ricercatori hanno affermato che la loro scoperta di composti semi-Heusler composti da tantalio, ferro e antimonio hanno prodotto risultati "abbastanza promettenti per la generazione di energia termoelettrica".

I ricercatori hanno misurato l'efficienza di conversione di un composto all'11,4%, il che significa che il materiale ha prodotto 11,4 watt di elettricità per ogni 100 watt di calore assorbiti. I calcoli teorici suggeriscono che l'efficienza potrebbe raggiungere il 14%, ha detto Ren, che è anche MD Anderson Professore di fisica alla UH. Ha notato che molti dispositivi termoelettrici avranno applicazioni pratiche con un'efficienza di conversione del 10%.

In tutto, i ricercatori hanno predetto sei composti precedentemente non segnalati e ne hanno sintetizzato con successo uno, che ha fornito alte prestazioni senza l'uso di elementi costosi.

"Abbiamo scoperto 6 composti non documentati e 5 di loro sono stabili con la struttura cristallina di mezzo Heusler, " hanno scritto. "Il semi-Heusler basato su TaFeSb di tipo p, uno dei composti scoperti in questo lavoro, ha dimostrato una prestazione termoelettrica molto promettente."

Oltre a Ren e ai membri del suo laboratorio, il lavoro ha coinvolto ulteriori ricercatori presso l'UH; l'Università del Missouri; il Massachusetts Institute of Technology; Laboratorio nazionale di Pechino per la fisica della materia condensata presso l'Accademia cinese delle scienze; Università del sud-ovest di Chongqing, Cina; l'Istituto per i materiali metallici di Dresda, Germania; l'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche della Cina; e l'Università di Shanghai.

Affidarsi a calcoli teorici per prevedere i composti che dovrebbero avere elevate prestazioni termoelettriche ha permesso ai ricercatori di concentrarsi sui composti più promettenti. Ma in realtà creando materiali composti da tantalio, ferro e antimonio, uno sforzo guidato dai ricercatori post-dottorato di UH e dai primi autori Hangtian Zhu e Jun Mao, si è rivelato complesso, in parte perché i componenti hanno proprietà fisiche così disparate.

tantalio, Per esempio, ha un punto di fusione superiore a 3, 000 gradi centigradi, mentre il punto di fusione dell'antimonio è di 630 gradi centigradi. Il tantalio è duro, mentre l'antimonio è relativamente morbido, rendendo più difficile la fusione dell'arco, un metodo comune per combinare i materiali. Sono stati in grado di realizzare il composto utilizzando una combinazione di macinazione a sfere e pressatura a caldo.

Una volta formato il composto, i ricercatori hanno affermato che offriva sia le proprietà fisiche necessarie che le proprietà meccaniche che avrebbero garantito l'integrità strutturale. Ren ha detto che gli elementi utilizzati sono tutti relativamente disponibili e poco costosi, rendendo il composto conveniente.

Oltre alle proprietà del composto stesso, i ricercatori hanno affermato che i loro risultati offrono un forte supporto per un ulteriore affidamento sui metodi computazionali per dirigere gli sforzi sperimentali.

"Va notato che un'attenta sintesi sperimentale e la valutazione di un composto sono costose, mentre la maggior parte dei calcoli teorici, soprattutto se applicato in modalità ad alto rendimento, sono relativamente poco costosi, " hanno scritto. "Come tale, potrebbe essere utile utilizzare studi teorici più sofisticati nella previsione dei composti prima di dedicare gli sforzi per un attento studio sperimentale".