I materiali termoelettrici ad alte prestazioni che convertono il calore di scarto in elettricità potrebbero un giorno essere una fonte di energia più sostenibile. Ma devono essere molto più efficienti prima di poter essere efficaci su larga scala in luoghi come centrali elettriche o basi militari, dicono i ricercatori.

Un ricercatore dell'Università del Michigan ha compiuto un passo verso questo obiettivo. Progettando un materiale semiconduttore a livello dei suoi singoli atomi, Pierre Ferdinand P. Poudeu, assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria, ha potenziato la sua capacità di convertire il calore in energia del 200 percento e la sua conduttività elettrica del 43 percento. È una combinazione importante. Migliorare contemporaneamente entrambe queste cifre è una grande sfida per i ricercatori che lavorano nel campo.

Il materiale utilizzato da Poudeu è una lega di titanio, zirconio, nichel e stagno. Sebbene non sia un materiale termoelettrico particolarmente efficace a questo punto, Poudeu dice che è stato un buon banco di prova.

"Questo concetto è nuovo ed eccitante, " Poudeu ha detto. "Pensiamo che possa essere adattato anche ad altri materiali e aprire la strada a materiali termoelettrici migliorati destinati ad applicazioni di conversione dell'energia ad alte prestazioni.

"Se vogliamo costruire generatori che convertano il calore di scarto in elettricità e che siano in grado di sostituire la tecnologia attuale, devono essere scoperti materiali termoelettrici con efficienza molto più elevata. Dovremo raddoppiare l'efficienza tipicamente raggiunta oggi".

Poudeu afferma che il suo approccio alla nanoingegneria potrebbe ottenere tali vantaggi se può essere utilizzato negli attuali sistemi di materiali termoelettrici candidati.

La sua strategia differisce dalle comuni tecniche chimiche come il doping, in cui i ricercatori aggiungono impurità a un materiale ospite per alterarne le proprietà elettroniche e renderlo più conduttivo. Nei materiali termoelettrici, il doping può lavorare contro se stesso, però, perché le impurità possono ostacolare la conversione del calore in elettricità.

Piuttosto che aggiungere impurità, che sono tipicamente elementi chimici estranei, Poudeu ha introdotto ulteriori singoli atomi di nichel, uno degli elementi già presenti nel materiale. Gli atomi di nichel si sono fatti strada nella struttura cristallina del materiale ospite e hanno riempito una piccola frazione dei suoi siti atomici vuoti. Hanno formato ciò che Poudeu descrive come punti quantici:strutture su nanoscala che seguono le leggi dei quanti, piuttosto che classico, fisica.

Le strutture sono così piccole, dovresti metterne in fila un milione solo per poterli vedere senza un microscopio, dice Poudeu.

I punti quantici agiscono come trappole, impedendo agli elettroni a bassa energia di ridurre l'efficienza di conversione, mentre crea un percorso per il passaggio degli elettroni di energia superiore come corrente elettrica. L'aggiunta dei punti quantici in un semiconduttore sfuso si traduce in un nuovo materiale con una struttura elettronica distinta, dice Poudeu.

Il documento è intitolato "Grandi miglioramenti della termopotenza e della mobilità dei vettori nei semiconduttori sfusi ingegnerizzati a punti quantici". È pubblicato online su Giornale della Società Chimica Americana e apparirà in una prossima edizione cartacea.