In alto:un'immagine al microscopio elettronico a scansione mostra la griglia di piccoli fori nel materiale nanomesh. In basso:in questo disegno, ogni sfera rappresenta un atomo di silicio nella nanomaglia. Le bande colorate mostrano le differenze di temperatura sul materiale, con il rosso più caldo e il blu più freddo. Credito:gruppo Heath/Caltech
(PhysOrg.com) -- Computer, lampadine, e anche le persone generano calore, energia che finisce per essere sprecata. Con un dispositivo termoelettrico, che converte il calore in elettricità e viceversa, puoi sfruttare quell'energia altrimenti sprecata. I dispositivi termoelettrici sono propagandati per l'uso in frigoriferi nuovi ed efficienti, e altre macchine di raffreddamento o riscaldamento. Ma i progetti attuali non sono abbastanza efficienti per un uso commerciale diffuso o sono realizzati con materiali rari, costosi e dannosi per l'ambiente.
I ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) hanno sviluppato un nuovo tipo di materiale, fatto di silicio, il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre, che potrebbe portare a dispositivi termoelettrici più efficienti. Il materiale, un tipo di nanorete, è composto da un film sottile con una disposizione a griglia di minuscoli fori. Questo design unico rende difficile il passaggio del calore attraverso il materiale, abbassando la sua conducibilità termica vicino al limite teorico del silicio. Allo stesso tempo, il design consente all'elettricità di fluire così come avviene nel silicio non modificato.
"In termini di controllo della conduttività termica, questi sono dispositivi piuttosto sofisticati, "dice James Heath, l'Elizabeth W. Gilloon Professor e professore di chimica al Caltech, che ha condotto i lavori. Un articolo sulla ricerca sarà pubblicato nel numero di ottobre della rivista Nanotecnologia della natura .
Una delle principali strategie per rendere i materiali termoelettrici efficienti dal punto di vista energetico è abbassare la conduttività termica senza influire sulla conduttività elettrica, che è quanto bene l'elettricità può viaggiare attraverso la sostanza. Heath e i suoi colleghi lo avevano precedentemente realizzato utilizzando nanofili di silicio, fili di silicio che sono da 10 a 100 volte più stretti di quelli attualmente utilizzati nei microchip dei computer. I nanofili funzionano impedendo il calore e consentendo agli elettroni di fluire liberamente.
In qualsiasi materiale, il calore viaggia attraverso i fononi, pacchetti di vibrazioni quantizzati simili ai fotoni, che sono essi stessi pacchetti quantizzati di onde luminose. Mentre i fononi sfrecciano lungo il materiale, forniscono calore da un punto all'altro. Nanofili, a causa delle loro piccole dimensioni, hanno molta superficie rispetto al loro volume. E poiché i fononi si disperdono su superfici e interfacce, è più difficile per loro farcela attraverso un nanofilo senza rimbalzare fuori strada. Di conseguenza, un nanofilo resiste al flusso di calore ma rimane elettricamente conduttivo.
Ma creare nanofili sempre più stretti è efficace solo fino a un certo punto. Se il nanofilo è troppo piccolo, avrà così tanta superficie relativa che anche gli elettroni si disperderanno, causando il crollo della conduttività elettrica e negando i benefici termoelettrici dello scattering fononico.
Per aggirare questo problema, il team di Caltech ha costruito un materiale nanomesh da un foglio di silicio spesso 22 nanometri. (Un nanometro è un miliardesimo di metro.) Il foglio di silicio viene convertito in una rete, simile a un minuscolo schermo a finestra, con una serie molto regolare di fori larghi 11 o 16 nanometri distanti solo 34 nanometri l'uno dall'altro.
Invece di disperdere i fononi che lo attraversano, la nanomesh cambia il modo in cui si comportano quei fononi, essenzialmente rallentandoli. Le proprietà di un particolare materiale determinano la velocità con cui possono andare i fononi, e si scopre che, almeno nel silicio, la struttura a rete abbassa questo limite di velocità. Per quanto riguarda i fononi, la nanorete non è più affatto silicio. "La nanorete non si comporta più nei modi tipici del silicio, "dice Slobodan Mitrovic, uno studioso post-dottorato in chimica al Caltech. Mitrovic e lo studente laureato del Caltech Jen-Kan Yu sono i primi autori del Nanotecnologia della natura carta.
Quando i ricercatori hanno confrontato la nanorete con i nanofili, hanno scoperto che, nonostante abbiano un rapporto superficie-volume molto più elevato, i nanofili erano ancora due volte più conduttivi termicamente rispetto alla nanorete. I ricercatori suggeriscono che la diminuzione della conduttività termica osservata nella nanomaglia è effettivamente causata dal rallentamento dei fononi, e non da fononi che si disperdono sulla superficie della mesh. Il team ha anche confrontato la nanomesh con un film sottile e un foglio di silicio a forma di griglia con caratteristiche circa 100 volte più grandi della nanomesh; sia il film che la griglia avevano una conduttività termica circa 10 volte superiore a quella della nanomesh.
Sebbene la conduttività elettrica della nanomaglia sia rimasta paragonabile a quella normale, silicio sfuso, la sua conduttività termica è stata ridotta vicino al limite inferiore teorico per il silicio. E i ricercatori dicono che possono abbassarlo ulteriormente. "Ora che abbiamo dimostrato che possiamo rallentare i fononi, "Heath dice, "chi può dire che non possiamo rallentarli molto di più?"
I ricercatori stanno ora sperimentando diversi materiali e disposizioni di fori per ottimizzarne il design. "Un giorno, potremmo essere in grado di progettare un materiale in cui non solo puoi rallentare i fononi, ma puoi escludere del tutto i fononi che portano calore, " Dice Mitrovic. "Questo sarebbe l'obiettivo finale".
