I dispositivi termoelettrici, che possono generare una corrente elettrica da una differenza di temperatura o utilizzare l'elettricità per produrre riscaldamento o raffreddamento senza parti in movimento, sono stati esplorati in laboratorio sin dal XIX secolo. Negli ultimi anni, la loro efficienza è migliorata abbastanza da consentire un uso commerciale limitato, come nei sistemi di raffreddamento integrati nei sedili delle automobili. Ma un uso più diffuso, come sfruttare il calore di scarto delle centrali elettriche e dei motori, richiede materiali migliori.

Ora, un nuovo modo di migliorare l'efficienza di tali dispositivi, sviluppato da ricercatori del MIT e della Rutgers University, potrebbe portare a tali applicazioni più ampie. Il nuovo lavoro, dal professore di ingegneria meccanica Gang Chen, Professoressa dell'Istituto Mildred Dresselhaus, studente laureato Bolin Liao, e il recente postdoc Mona Zebarjadi e il ricercatore Keivan Esfarjani (entrambi ora fanno parte della facoltà della Rutgers), è stato pubblicato sulla rivista Materiale avanzato .

Sebbene i dispositivi termoelettrici siano disponibili in commercio dagli anni '50, la loro efficienza è stata bassa a causa delle limitazioni dei materiali. Un nuovo impulso per i sistemi termoelettrici risale ai primi anni '90, quando Dresselhaus lavorava a un progetto, finanziato dalla Marina degli Stati Uniti, migliorare i materiali termoelettrici per i sistemi di raffreddamento silenziosi per i sottomarini. Chen, che allora si occupava delle proprietà termoisolanti delle nanostrutture, ha collaborato con lei per far avanzare i materiali termoelettrici.

La scoperta del gruppo che i materiali su scala nanometrica potrebbero avere proprietà significativamente diverse da quelle di pezzi più grandi dello stesso materiale, lavoro che ha coinvolto minuscole particelle di un materiale incorporate in un altro, la formazione di nanocompositi, che in definitiva ha contribuito a migliorare l'efficienza dei dispositivi termoelettrici. L'ultimo lavoro continua che la ricerca, accordare la composizione, dimensioni e densità delle nanoparticelle incorporate per massimizzare le proprietà termoelettriche del materiale.

La modellazione computerizzata dettagliata del nuovo materiale mostra che potrebbe migliorare i parametri che sono fondamentali per un sistema termoelettrico efficace:elevata conduttività elettrica (in modo che l'elettricità fluisca facilmente), bassa conducibilità termica (in modo da mantenere un gradiente di temperatura), e ottimizzazione di una proprietà nota come coefficiente di Seebeck, che esprime quanto calore trasporta un elettrone, in media.

Il nuovo lavoro si basa anche su metodi sviluppati da ricercatori di ottica che hanno tentato di creare mantelli dell'invisibilità, modi per rendere gli oggetti invisibili a determinate onde radio o onde luminose utilizzando materiali nanostrutturati che piegano la luce. Il team del MIT ha applicato metodi simili per incorporare particelle che potrebbero ridurre la conduttività termica del materiale mantenendo alta la sua conduttività elettrica.

"È una specie di mantello per gli elettroni, "Dice Dresselhaus. "Ci siamo ispirati alle persone dell'ottica".

Il concetto che ha reso fattibili i miglioramenti, spiegano i ricercatori, è qualcosa chiamato anti-risonanza, che fa sì che gli elettroni della maggior parte dei livelli di energia vengano bloccati dalle particelle incorporate, mentre quelli in una gamma ristretta di energie passano con poca resistenza.

Liao e Zebarjadi, che ha svolto questo lavoro come postdoc al MIT, concepito per rendere le nanoparticelle invisibili al flusso di elettroni utilizzando questo principio di anti-risonanza. Regolando la dimensione delle nanoparticelle, i ricercatori li hanno resi invisibili agli elettroni, ma non i fononi, le particelle virtuali che trasportano il calore.

Inoltre, hanno scoperto che le nanoparticelle incorporate in realtà miglioravano il flusso di elettroni. "Possiamo aumentare significativamente la conduttività elettrica, " dice Zebarjadi.

Quell'effetto di base era stato osservato prima, lei dice, ma solo nei gas, non solidi. "Quando l'abbiamo visto, Noi abbiamo detto, sarebbe bello se potessimo avere una tale dispersione [di elettroni] nei solidi, " dice Zebarjadi, un risultato che alla fine lei e i suoi colleghi sono riusciti a ottenere.

La tecnica si ispira a un concetto chiamato modulation doping, che viene utilizzato nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore. Finora, il lavoro è stato teorico. Il prossimo passo sarà costruire dispositivi di test reali, dicono i membri della squadra. "Ci sono molte sfide sul lato sperimentale, " dice Chen.

Giuseppe Heremans, professore di fisica alla Ohio State University, chiama l'opera "favolosa roba di Harry Potter, eppure credibile... davvero nuovo, e totalmente sorprendente." Tuttavia, osserva che l'effetto è limitato a una gamma ristretta di energia degli elettroni, e richiederà una messa a punto per ottenere il livello di energia giusto. "Questo potrebbe rivelarsi impossibile da ottenere in laboratorio, non lo sapremo finché qualcuno non ci proverà, " lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.