I fisici hanno scoperto un nuovo effetto, che permette di creare ottimi isolanti termici che conducono elettricità. Tali materiali possono essere utilizzati per convertire il calore di scarto in energia elettrica.

Ogni giorno perdiamo energia preziosa sotto forma di calore disperso, in dispositivi tecnici domestici, ma anche nei grandi sistemi energetici. Una parte di essa potrebbe essere recuperata con l'aiuto dell'"effetto termoelettrico". Il flusso di calore da un dispositivo caldo all'ambiente freddo può essere convertito direttamente in energia elettrica. Per ottenere ciò, però, sono richiesti materiali con proprietà molto speciali. Devono essere buoni conduttori elettrici, ma cattivi conduttori termici, due esigenze difficilmente conciliabili.

Ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di tali materiali. Alcuni materiali con struttura a gabbia si sono rivelati particolarmente promettenti, ad esempio clatrati, che sono studiati alla TU Wien. Ora, dopo approfondite indagini, è stato dimostrato un effetto notevole, il che può spiegare la conduttività termica particolarmente bassa di questi materiali.

Celle di prigione per atomi

"I clatrati sono cristalli con una struttura molto speciale, " spiega la professoressa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di fisica dello stato solido dell'Università di tecnologia di Vienna. "Il loro reticolo cristallino contiene minuscole gabbie in cui sono rinchiusi i singoli atomi. Questi atomi possono oscillare avanti e indietro nella loro singola cellula, senza vedere molto del resto del cristallo."

Il calore in un solido è presente sotto forma di vibrazioni dei suoi atomi. Quando un cristallo viene riscaldato, le vibrazioni diventano più forti finché, ad un certo punto, i legami tra gli atomi si rompono e il cristallo si scioglie. "Ci sono due tipi di vibrazioni, " dice Silke Bühler-Paschen. "Se gli atomi vicini sono fortemente legati insieme, quindi la vibrazione di un atomo può essere trasferita direttamente ai suoi vicini e un'ondata di calore si diffonde attraverso il materiale. Più forte è l'accoppiamento tra gli atomi, più veloce è la propagazione dell'onda e maggiore è la conduzione del calore. Però, se un atomo è solo molto debolmente legato ai suoi vicini, proprio come l'atomo seduto nella gabbia del clatrato, poi è largamente indipendente dagli altri e l'ondata di caldo è estremamente lenta".

Nuovo effetto:diffusione fononica simile a Kondo

Come parte della sua tesi con Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda ha scoperto che è a causa di una certa interazione tra questi due tipi di ondate di calore che i clatrati sono degli ottimi isolanti termici. Matthias Ikeda ha eseguito misurazioni precise ed estese. Serie di cristalli, ognuno con proprietà leggermente diverse, sono stati prodotti alla TU Wien e accuratamente misurati. "Alla fine, siamo stati in grado di provare quello che nessuno voleva crederci all'inizio:c'è un effetto fisico finora sconosciuto che sopprime la conduttività termica - lo chiamiamo diffusione fononica simile a Kondo, "dice Mattia Ikeda.

A causa della struttura cristallina, un atomo nella gabbia del clatrato vibra preferenzialmente in due direzioni specifiche. "Quando arriva un'ondata di caldo, può, per un breve periodo, entrare in una sorta di stato legato con una tale vibrazione. L'ondata di calore cambia la direzione di oscillazione dell'atomo nella gabbia del clatrato, " dice Silke Bühler-Paschen. "Questo processo rallenta l'ondata di caldo, e quindi la conducibilità termica è diminuita. Anche se i clatrati conducono elettricità, sono buoni isolanti termici."

Materiale migliore per termoelettrici

Questa è esattamente la combinazione di proprietà del materiale necessaria per utilizzare l'effetto termoelettrico su scala industriale. Qualcosa di caldo è collegato a qualcosa di freddo usando il materiale giusto, e il flusso di energia in mezzo può essere convertito direttamente in elettricità. Da una parte, il materiale deve condurre corrente elettrica, ma da un lato, non deve equilibrare le temperature conducendo il calore troppo velocemente, altrimenti l'effetto non può più essere utilizzato.

"Il progetto ha richiesto molto tempo, oltre a numerosi esperimenti, è stato necessario sviluppare ampie simulazioni al computer per comprendere i processi fisici quantistici alla base di questo effetto, " dice Silke Bühler-Paschen. "Ma ne è valsa la pena:con il nostro concetto di diffusione fononica simile a Kondo, ora è molto più facile capire il comportamento dei clatrati e quindi possiamo lavorare in modo più mirato per trovare i materiali più efficienti per le applicazioni termoelettriche".