Secondo gli scienziati, il calore di scarto, che entra nell’ambiente e rimane inutilizzato, rappresenta oltre il 70% delle perdite di consumo energetico globale. Con l’aiuto di materiali termoelettrici – semiconduttori speciali – il calore dissipato può essere convertito in elettricità. I materiali termoelettrici possono essere utilizzati anche per progettare dispositivi di raffreddamento, che riducono il consumo energetico in applicazioni domestiche e industriali.
La ricerca di questi materiali è uno dei compiti chiave della moderna scienza dei materiali. Un team di scienziati di Skoltech, dell’Istituto Emanuel di fisica biochimica RAS, nonché di altre importanti organizzazioni scientifiche in Russia e Israele, hanno studiato come l’aggiunta di impurità al tellururo di piombo (PbTe), un materiale termoelettrico, può influenzarne le proprietà meccaniche ed estendere il servizio vita di un generatore termoelettrico. L'articolo è stato pubblicato su Applied Physics Letters .
"Il tellururo di piombo viene utilizzato sui gasdotti nella regione di Yamal per garantire il funzionamento dei sensori. È impossibile posizionare lì le linee elettriche e i motori diesel richiedono un monitoraggio costante. Invece, piccoli tubi con gas in fiamme vengono utilizzati per fornire calore. Utilizzando un materiale termoelettrico, il calore del gas che brucia viene convertito in elettricità, sufficiente per il funzionamento dei sensori," ha affermato Ilya Chepkasov, l'autore principale dello studio e ricercatore senior presso il Centro di transizione energetica di Skoltech.
Il materiale presenta anche alcuni svantaggi:può deteriorarsi quando entra in contatto con materiali che hanno un diverso coefficiente di dilatazione termica. Un facile deterioramento può dipendere dal doping, che è il processo di aggiunta di impurità alla struttura cristallina di un semiconduttore per modificarne le proprietà elettriche e termoelettriche e rendere la conduttività controllata e prevedibile.
Esistono due tipi di drogaggio dei semiconduttori. Il drogaggio di tipo N dà come risultato un semiconduttore in cui gli elettroni sono i principali portatori di carica. Il drogaggio di tipo P produce un semiconduttore, in cui il ruolo principale nel trasferimento di carica è attribuito ai cosiddetti "buchi", luoghi che compaiono in un legame elettronico dopo l'uscita dell'elettrone. Hanno una carica positiva e si comportano come particelle positive.
Gli scienziati hanno dimostrato che il legame chimico nel PbTe di tipo n si indebolisce quando gli orbitali che si allentano si riempiono. Di conseguenza, il materiale diventa più duttile e, con l'espansione termica, il rischio di degrado è inferiore rispetto al tipo p.
"A seconda del tipo di drogaggio, le proprietà meccaniche del materiale possono variare in modi diversi. Nel PbTe di tipo n, la concentrazione di droganti influisce leggermente sulle proprietà meccaniche. Nel PbTe di tipo p, si verifica un aumento significativo del la sua durezza. Abbiamo studiato la ragione di questo comportamento e abbiamo scoperto che il drogaggio di tipo n provoca un elettrone in più sull'orbitale allentato. Per questo motivo, il materiale diventa più duttile. Al contrario, il drogaggio di tipo p si traduce in un legame più rigido e un materiale più fragile", ha aggiunto Chepkasov.
I nuovi risultati aiuteranno a selezionare un drogante che migliorerà le proprietà meccaniche del tellururo di piombo e aumenterà la durata di un generatore termoelettrico. La ricerca faceva parte della borsa di studio n. 19-72-30043 dell'Accademia russa delle scienze intitolata "Laboratorio di progettazione informatica di nuovi materiali". Il progetto mira a sviluppare nuovi metodi computazionali che miglioreranno significativamente le capacità di previsione computerizzata dei materiali, tenendo conto di fattori complessi come la temperatura e gli effetti di correlazione.
Ulteriori informazioni: Ilya V. Chepkasov et al, Origine del comportamento fragile dei materiali termoelettrici drogati a base di PbTe, Lettere di fisica applicata (2024). DOI:10.1063/5.0185002
Informazioni sul giornale: Lettere di fisica applicata
Fornito da Skolkovo Institute of Science and Technology
