Gli scienziati dei materiali della Duke University hanno scoperto un meccanismo atomico che rende alcuni materiali termoelettrici incredibilmente efficienti vicino alle transizioni di fase ad alta temperatura. Le informazioni aiuteranno a colmare le lacune di conoscenza critiche nella modellazione computazionale di tali materiali, potenzialmente consentendo ai ricercatori di scoprire nuove e migliori opzioni per le tecnologie che si basano sulla trasformazione del calore in elettricità.

I risultati appaiono online il 4 settembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I materiali termoelettrici convertono il calore in elettricità quando gli elettroni migrano dal lato caldo del materiale al lato freddo. Poiché è necessario fornire una differenza di temperatura tra i suoi due lati, i ricercatori sono interessati a provare a utilizzare questi materiali per generare elettricità dal calore del tubo di scappamento di un'auto o recuperare l'energia persa sotto forma di calore nelle centrali elettriche.

Negli ultimi due anni, nuovi record per l'efficienza termoelettrica sono stati stabiliti con un materiale emergente chiamato seleniuro di stagno e il suo composto gemello, solfuro di stagno. La versione al solfuro non è ancora così buona come termoelettrica, ma viene ulteriormente ottimizzato perché è più economico da produrre e più rispettoso dell'ambiente.

Mentre gli scienziati sanno che entrambi questi composti sono eccellenti materiali termoelettrici, non sanno esattamente perché. Nel nuovo studio, Olivier Delaire, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke, e due dei suoi studenti laureati, Tyson Lanigan-Atkins e Shan Yang, cercato di colmare un po' quel vuoto di conoscenza.

"Volevamo cercare di capire perché questi materiali hanno una conduttività termica così bassa, che aiuta a consentire le forti proprietà termoelettriche per cui sono noti, " ha detto Delaire. "Utilizzando una potente combinazione di misurazioni della diffusione dei neutroni e simulazioni al computer, abbiamo scoperto che è correlato alle vibrazioni atomiche del materiale ad alta temperatura, che nessuno aveva visto prima."

La bassa conduttività termica è un ingrediente necessario di qualsiasi buon materiale termoelettrico. Poiché la produzione di elettricità richiede un differenziale termico tra i suoi due lati, ha senso che i materiali che impediscono la diffusione del calore su di essi funzionino bene.

Per avere una visione delle vibrazioni atomiche del solfuro di stagno in azione, Delaire e Lanigan-Atkins hanno prelevato campioni al reattore isotopico ad alto flusso presso l'Oak Ridge National Laboratory. Rimbalzando i neutroni dagli atomi del solfuro di stagno e rilevando dove finiscono dopo, i ricercatori hanno potuto determinare dove si trovavano gli atomi e come stavano vibrando collettivamente nel reticolo del cristallo.

Le strutture dell'ORNL erano particolarmente adatte al compito. Poiché le vibrazioni atomiche del solfuro di stagno sono relativamente lente, i ricercatori hanno bisogno di neutroni "freddi" a bassa energia che siano abbastanza delicati da vederli. E ORNL ha alcuni dei migliori strumenti a neutroni freddi al mondo.

"Abbiamo scoperto che il solfuro di stagno ha effettivamente alcune modalità di vibrazione che sono molto "flaccide, '", ha detto Delaire. "E che le sue proprietà sono connesse con l'instabilità intrinseca nel suo reticolo cristallino."

A temperature più basse, il solfuro di stagno è un materiale stratificato con griglie distorte di stagno e solfuro che si trovano uno sopra l'altro, ondulato come una fisarmonica. Ma a temperature vicine al suo punto di transizione di fase di 980 gradi Fahrenheit, che è dove spesso operano i generatori termoelettrici, quell'ambiente distorto inizia a rompersi. I due strati, come per magia, diventare di nuovo non distorto e più simmetrico, ed è qui che entra in gioco la "flaccidità".

Poiché il materiale scorre tra le due disposizioni strutturali ad alta temperatura, i suoi atomi non vibrano più insieme come una corda di chitarra ben accordata e diventano invece smorzati anarmonicamente. Per capirlo meglio, pensa a un'auto con urti terribili come se avesse una vibrazione armonica:continuerà a rimbalzare a lungo dopo aver superato il minimo urto. Ma gli shock adeguati smorzeranno quella vibrazione, rendendolo anarmonico e impedendogli di oscillare per lungo tempo.

"Le onde di calore viaggiano attraverso le vibrazioni atomiche in un materiale, " disse Delaire. "Così, quando le vibrazioni atomiche nel solfuro di stagno diventano flosce, non trasmettono vibrazioni molto velocemente e inoltre non vibrano molto a lungo. Questa è la causa principale della sua capacità di impedire al calore di viaggiare al suo interno".

Con questi risultati in mano, Delaire e Yang hanno quindi cercato di confermarli e capirli dal punto di vista computazionale. Utilizzando i supercomputer del Lawrence Berkeley National Laboratory, Yang è stato in grado di riprodurre gli stessi effetti anarmonici ad alte temperature. Oltre a confermare quanto visto negli esperimenti, Delaire afferma che questi modelli aggiornati consentiranno ai ricercatori di cercare meglio nuovi materiali termoelettrici da utilizzare nelle tecnologie di domani.

"I ricercatori nel campo non hanno tenuto conto della forte dipendenza della temperatura dalle velocità di propagazione del calore, e questa modellazione mostra quanto possa essere importante quella variabile, " ha detto Delaire. "Adottare questi risultati e altri progressi teorici renderà più facile per gli scienziati dei materiali prevedere altri buoni materiali termoelettrici".