Credito:Università della tecnologia di Vienna
Durante la conversione dell'energia si perde molto calore. Le stime lo mettono addirittura a oltre il 70%. Tuttavia, nei materiali termoelettrici, come quelli studiati presso l'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien, il calore può essere convertito direttamente in energia elettrica. Questo effetto (l'effetto Seebeck) può essere utilizzato in numerose applicazioni nell'industria ma anche nella vita di tutti i giorni.
Di recente, il team di ricerca di Ernst Bauer ha fatto un'entusiasmante scoperta in un materiale termoelettrico costituito da ferro, vanadio e alluminio (Fe2 Val). I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati su Nature Communications .
Il termoelettrico ideale
Per ottenere il massimo effetto di conversione energetica possibile, i ricercatori stanno cercando materiali che soddisfino una serie di caratteristiche:dovrebbero avere un grande effetto Seebeck, un'elevata conduttività elettrica e una bassa conduttività termica. Tuttavia, questo è estremamente difficile perché queste proprietà sono interconnesse e interdipendenti. Pertanto, i ricercatori si sono chiesti come dovrebbe essere fisicamente un materiale per soddisfare tutte queste condizioni nel miglior modo possibile.
Pertanto, i fisici della TU Wien sono riusciti a trovare un nuovo concetto per risolvere questa contraddizione e ottimizzare tutte le proprietà termoelettriche in un materiale allo stesso tempo. "Alla cosiddetta transizione di Anderson, una transizione di fase quantistica da stati di elettroni localizzati a stati mobili, sono soddisfatte le condizioni per il termoelettrico ideale. Ciò significa che tutti gli elettroni di conduzione hanno approssimativamente la stessa energia", riferisce Fabian Garmroudi, primo autore del libro studia.
La transizione di Anderson si verifica nei semiconduttori quando vengono aggiunti atomi di impurità, legando fortemente i loro elettroni. "Analogo ai banchi di ghiaccio nel mare, questi sono inizialmente isolati l'uno dall'altro e non possono essere calpestati. Tuttavia, se il numero di banchi di ghiaccio è abbastanza grande, hai una connessione continua attraverso la quale puoi attraversare il mare", Fabian Garmroudi fa un confronto. Questo accade in modo simile nei solidi:se il numero di atomi di impurità supera un valore critico, gli elettroni possono improvvisamente spostarsi liberamente da un atomo all'altro e l'elettricità può fluire.
Gli atomi si scambiano di posto quando fa caldo
La transizione di Anderson è stata dimostrata in stretta collaborazione con ricercatori svedesi e giapponesi, nonché con l'Università di Vienna, ed è stata collegata per la prima volta a un cambiamento significativo nelle proprietà termoelettriche. Il team ha fatto l'entusiasmante scoperta riscaldando il materiale a temperature molto elevate, vicine al punto di fusione.
"A temperature elevate, gli atomi vibrano così fortemente che occasionalmente scambiano le loro posizioni reticolari. Ad esempio, gli atomi di ferro si trovano dove prima si trovavano gli atomi di vanadio. Siamo riusciti a congelare questa 'confusione atomica', che si verifica alle alte temperature, in questo modo -chiamato 'tempra', cioè raffreddamento rapido a bagnomaria", riferisce Ernst Bauer. Questi difetti irregolari servono esattamente allo stesso scopo degli atomi di impurità menzionati in precedenza, senza la necessità di modificare la composizione chimica del materiale.
Conversione energetica grazie al disordine
In molte aree di ricerca della fisica dello stato solido, si è interessati a materiali che siano il più puri possibile e abbiano una struttura cristallina ideale. Il motivo:la regolarità degli atomi semplifica una descrizione teorica delle proprietà fisiche. Nel caso di Fe2 VAL, però, sono proprio le imperfezioni a rendere conto della maggior parte delle prestazioni termoelettriche. È già stato dimostrato anche nelle discipline vicine che le irregolarità possono essere vantaggiose:"La ricerca di base sui materiali quantistici ne è un buon esempio. Lì, la scienza è già stata in grado di dimostrare che il disordine è spesso la spezia necessaria nella 'zuppa quantistica' ", afferma Andrej Pustogow, uno dei coautori. "Ora questo concetto è arrivato anche nella ricerca applicata allo stato solido". + Esplora ulteriormente
