L'energia elettrica può essere generata da una differenza di temperatura in un circuito con materiali idonei. Nelle simulazioni, Gli scienziati dell'ETH di Zurigo mostrano quali materiali hanno maggiori probabilità di successo in un processo termoelettrico.

I nanofili sembrano lunghe patatine fritte:cuboidi rettangolari allungati lunghi più di 300 celle di silicio e con una sezione trasversale di 9 celle di larghezza e 9 di altezza. I fili sono piccoli, solo 160 nanometri di lunghezza e circa cinque nanometri di diametro equivalente - 10, 000 volte più sottile di un capello. I nanofili sono rivestiti con uno strato atomicamente sottile di germanio, lo spessore dello strato essendo solo una o due celle unitarie del materiale semiconduttore.

Un nanofilo di silicio-germanio con questa costruzione è, o meglio sarebbe, un degno candidato per l'uso nella termoelettricità. L'unico problema è che, fino ad ora, il minuscolo filo semiconduttore in questa forma esiste solo nel computer di Ming Hu, uno scienziato post-dottorato nel gruppo di Dimos Poulikakos, Professore di Termodinamica presso l'Istituto di Tecnologie Energetiche. Professor K. Giapis del California Institute of Technology, STATI UNITI D'AMERICA, che ha trascorso il suo congedo sabbatico con il gruppo Poulikakos all'ETH di Zurigo ha anche collaborato allo svolgimento della ricerca che ha portato allo sviluppo di questo filo.

Nanofili più efficaci

La termoelettricità sfrutta il fatto che la temperatura e l'elettricità possono essere in determinate condizioni interconvertibili. A causa del cosiddetto effetto Seebeck, una piccola tensione elettrica si verifica in un circuito quando è presente una differenza di temperatura tra i punti di contatto di due diversi tipi di conduttori elettrici nel circuito. Però, non tutti i materiali conduttori o semiconduttori sono adatti alla generazione di energia termoelettrica. Per esibire elevati coefficienti di conversione che rendono un materiale praticabile per applicazioni realistiche, la conduttività termica del materiale deve essere la più piccola possibile, mentre la sua conduttività elettrica deve essere grande. Dimos Poulikakos dice, “Tali materiali sono praticamente inesistenti in natura.”

Perciò, l'obiettivo del progetto di ricerca era progettare un materiale adatto che avesse queste proprietà. Il silicio si abbandona in natura e potrebbe essere particolarmente adatto in questo senso. Sebbene la conduttività termica del silicio sfuso sia elevata, questa conduttività termica si deteriora non appena il semiconduttore viene convertito in una nanostruttura simile a un filo. Il professore dell'ETH di Zurigo avverte però, che "anche i nanofili di silicio puro non sono abbastanza buoni per una conversione energetica efficiente".

Lo strato di germanio riduce ulteriormente la conduttività termica

Attraverso simulazioni al computer, Hu Ming ha ora scoperto come risolvere il problema. Ha mostrato che i nanofili di silicio conducono il calore ancora più male se sono rivestiti con uno strato atomicamente sottile di germanio, un altro semiconduttore. La conduttività termica diminuisce del 75% rispetto ai nanofili di silicio puro, e lo fa a temperatura ambiente. D'altra parte, quando Hu ha aggiunto più strati di germanio nel suo modello, la conducibilità termica è nuovamente aumentata.

I ricercatori hanno dimostrato che la ragione della drastica riduzione della conduttività termica dei nanofili di silicio rivestiti di germanio risiede nelle modalità di vibrazione alterate dei fononi che trasportano il calore attraverso il reticolo cristallino. Le lunghezze d'onda delle particelle sono state accorciate e compresse nello strato interfacciale tra il silicio e il germanio, che bloccava in larga misura il trasporto di calore.

Perciò, i ricercatori concludono che i sottili nanofili di silicio dovrebbero essere rivestiti con uno o due strati di germanio per consentire un passo significativo verso il raggiungimento di processi termoelettrici praticabili.

Dal computer al laboratorio

I nanofili Si/Ge esistono ancora solo nel computer di Ming Hu. Però, il piano è di produrli presto nel laboratorio di Poulikakos per esperimenti reali. I metodi termoelettrici potrebbero dare un contributo importante alla produzione di energia alternativa in futuro. Per esempio, il professore dell'ETH di Zurigo può prevedere che, con l'ausilio di idonei impianti, potrebbero essere utilizzati per sfruttare il calore di scarto delle macchine o degli edifici per generare elettricità, che possono essere immagazzinati o immessi in rete. Sulla base dello stato attuale delle conoscenze, si potrebbero immaginare dispositivi che forniscono elettricità a singole case o apparecchiature portatili. Moduli termoelettrici, per esempio. grande come un tavolo da cucina, potrebbero anche fungere da pannelli solari per generare energia elettrica dall'energia solare. Però, questi sono i primi esperimenti mentali al momento. Poulikakos avverte che, "Queste applicazioni pratiche sono ancora una strada piuttosto lunga nel futuro"