I ricercatori di ingegneria del Rensselaer Polytechnic Institute hanno sviluppato un nuovo metodo per creare nanomateriali avanzati che potrebbero portare a frigoriferi e sistemi di raffreddamento altamente efficienti che non richiedono refrigeranti e parti mobili. Gli ingredienti chiave di questa innovazione sono un pizzico di zolfo su scala nanometrica e un normale, forno a microonde di tutti i giorni.

Al centro di questi sistemi di raffreddamento a stato solido ci sono materiali termoelettrici, che può convertire l'elettricità in una gamma di temperature diverse, dal caldo al freddo. I frigoriferi termoelettrici che utilizzano questi principi sono disponibili da oltre 20 anni, ma sono ancora piccoli e altamente inefficienti. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che i materiali utilizzati negli attuali dispositivi di raffreddamento termoelettrici sono costosi e difficili da realizzare in grandi quantità, e non hanno la necessaria combinazione di proprietà termiche ed elettriche. Un nuovo studio, pubblicato oggi sulla rivista Materiali della natura , supera queste sfide e apre le porte a una nuova generazione di macchine ad alte prestazioni, refrigerazione e condizionamento dell'aria a stato solido a costi contenuti.

Rensselaer Professor Ganpati Ramanath ha condotto lo studio, in collaborazione con i colleghi Theodorian Borca-Tasciuc e Richard W. Siegel.

A guidare questa svolta della ricerca è l'idea di contaminare intenzionalmente, o doping, materiali termoelettrici nanostrutturati con scarse quantità di zolfo. I materiali drogati si ottengono cuocendo insieme il materiale e il drogante per pochi minuti in un forno a microonde da 40 dollari acquistato in negozio. La polvere risultante viene formata in pellet delle dimensioni di un pisello applicando calore e pressione in modo da preservare le proprietà conferite dalla nanostrutturazione e dal drogaggio. Questi pellet mostrano proprietà migliori dei materiali termoelettrici difficili da realizzare attualmente disponibili sul mercato. Inoltre, questo nuovo metodo per creare i pellet drogati è molto più veloce, Più facile, e più economici dei metodi convenzionali di produzione di materiali termoelettrici.

"Questa non è una scoperta una tantum. Piuttosto, abbiamo sviluppato e dimostrato un nuovo modo per creare una classe completamente nuova di materiali termoelettrici drogati con proprietà superiori, " disse Ramanath, un membro di facoltà nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Rensselaer. "I nostri risultati hanno davvero il potenziale per trasformare il panorama tecnologico della refrigerazione e avere un impatto reale sulle nostre vite".

Cercare di progettare materiali termoelettrici è un po' come giocare al "tiro alla fune, " Ha detto Ramanath. I ricercatori si sforzano di controllare tre proprietà separate del materiale:conduttività elettrica, conduttività termica, e coefficiente di Seebeck. Manipolando una di queste proprietà, però, colpisce necessariamente gli altri due. Questo nuovo studio dimostra un nuovo modo per ridurre al minimo l'interdipendenza di queste tre proprietà combinando drogaggio e nanostrutturazione in noti materiali termoelettrici come tellururi e selenuri a base di bismuto e antimonio.

L'obiettivo di modificare queste tre proprietà è creare un materiale termoelettrico con un'elevata cifra di merito, o ZT, che è una misura dell'efficienza del materiale nel convertire il calore in elettricità. I nuovi pellet di nanomateriali delle dimensioni di un pisello sviluppati dal team di Rensselaer hanno dimostrato uno ZT da 1 a 1,1 a temperatura ambiente. Poiché si ottengono valori così elevati anche senza ottimizzare il processo, i ricercatori sono fiduciosi che ZT più alto possa essere ottenuto con un po' di ingegneria intelligente.

"È davvero sorprendente come le nanostrutture condite con pochi atomi di zolfo possano portare a proprietà termoelettriche così superiori del materiale sfuso formato dalle nanostrutture, e ci consente di raccogliere i benefici della nanostrutturazione su macroscala, " disse Ramanath.

Un aspetto importante della scoperta è la capacità di produrre nanomateriali termoelettrici di tipo p (carica positiva) e di tipo n (carica negativa) con un alto ZT. Fino ad ora, i ricercatori di tutto il mondo sono stati in grado di produrre solo grandi quantità di materiali di tipo p con ZT elevato.

Inoltre, il nuovo studio mostra che il team di ricerca di Rensselaer può produrre lotti da 10 a 15 grammi (abbastanza per produrre diversi granuli delle dimensioni di un pisello) del nanomateriale drogato in due o tre minuti con un forno a microonde. Quantità maggiori possono essere prodotte utilizzando forni a microonde di dimensioni industriali.

"La nostra capacità di produrre in modo scalabile ed economico materiali di tipo p e n con un alto ZT apre la strada alla fabbricazione di dispositivi di raffreddamento ad alta efficienza, nonché dispositivi termoelettrici a stato solido per la raccolta del calore di scarto o del calore solare in elettricità, " disse Borca-Tasciuc, professore presso il Dipartimento di Meccanica, Aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer.

"Questa è una scoperta molto eccitante perché combina la realizzazione di nuove e utili proprietà termoelettriche con un percorso di elaborazione dimostrato verso applicazioni industriali, " disse Siegel, il Robert W. Hunt Professor di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Rensselaer.

Lo studente laureato Rensselaer Rutvik J. Mehta ha svolto questo lavoro per la sua tesi di dottorato. Meta, Ramanath, e Borca-Tasciuc hanno depositato un brevetto e costituito una nuova società, ThermoAura Inc., sviluppare e commercializzare ulteriormente la nuova tecnologia dei materiali termoelettrici. Da allora Mehta si è laureata ed è ora associata post-dottorato presso Rensselaer. È anche presidente di ThermoAura.

Oltre i frigoriferi e l'aria condizionata, i ricercatori prevedono che questa tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata per raffreddare i chip dei computer.

Insieme a Ramanath, Borca-Tasciuc, Siegel, e Metta, co-autori del documento sono gli studenti laureati Rensselaer Yanliang Zhang, Chinnathambi Karthik, e Binay Singh.