La ricerca di termoelettrici, materiali esotici che convertono il calore direttamente in elettricità, ha ricevuto una spinta dai ricercatori del California Institute of Technology e dell'Università di Tokyo, che hanno trovato il modo migliore per identificarli.

Nella nuova rivista ad accesso libero Materiali APL , il team mostra che una tecnica relativamente semplice chiamata "approssimazione della banda rigida" può prevedere le proprietà di un materiale in modo più accurato rispetto a un concorrente, metodo più complicato.

"L'approccio a banda rigida fornisce ancora il semplice, concetti di ingegneria predittiva di cui abbiamo bisogno per scoprire fruttuose composizioni di materiali termoelettrici, " dice G. Jeffrey Snyder, una facoltà Caltech associata in scienza dei materiali, che ha condotto la ricerca.

I termoelettrici sono stati utilizzati dagli anni '50 per alimentare i veicoli spaziali convertendo il calore del decadimento radioattivo in elettricità. Le loro proprietà insolite derivano da complesse interazioni tra i molti elettroni associati agli atomi in leghe di metalli pesanti come piombo, bismuto, tellurio e antimonio.

Senza parti in movimento, i generatori termoelettrici sono silenziosi ed estremamente affidabili, richiedono una manutenzione minima. Però, i generatori sono relativamente inefficienti (in genere meno del 10 percento) e i materiali necessari per costruirli sono costosi, fattori che hanno impedito il loro uso diffuso e hanno limitato i termoelettrici ad applicazioni di nicchia come veicoli spaziali o frigoriferi per il vino.

Negli ultimi anni, però, la necessità di una maggiore efficienza energetica e di una generazione di energia non basata sul carbonio ha suscitato un rinnovato interesse per i termoelettrici. Con miglioramenti, i ricercatori ritengono che i materiali potrebbero generare elettricità a basso costo dal calore altrimenti disperso prodotto da motori e forni industriali.

"Se potessimo raddoppiare la loro efficienza, quindi i moduli termoelettrici incorporati nel sistema di scarico di un motore automobilistico potrebbero generare energia sufficiente per sostituire l'alternatore, che aumenterebbe il consumo di carburante dell'auto, " ha detto Snyder.

La sfida per gli scienziati è scegliere le composizioni delle leghe, dimensioni dei cristalli e additivi, (chiamati anche droganti), che produrrebbe un'elevata efficienza termoelettrica. Con un numero esaustivo di possibili combinazioni tra cui scegliere, gli scienziati utilizzano calcoli teorici per guidare la loro ricerca di materiali promettenti. L'estrema complessità dei materiali, però, richiede che i teorici facciano varie ipotesi che hanno portato ciascuna ad approcci diversi.

L'approccio più comune è l'approssimazione "banda rigida", che fornisce un modello relativamente semplice della struttura elettronica di un materiale, e il più complesso approccio "supercella", che fornisce un quadro dettagliato della sua disposizione atomica ideale. Alcuni scienziati hanno affermato che l'approccio a banda rigida è troppo semplice e impreciso per essere utile.

Il team di Snyder ha riportato esattamente il risultato opposto. I loro calcoli hanno mostrato che l'approccio a banda rigida era in realtà più accurato del metodo della supercella nel prevedere le proprietà osservate di un popolare termoelettrico - tellururo di piombo - drogato con una piccola quantità di sodio, potassio o tallio.

"Gli approcci alle supercelle sono accurati per casi di droganti molto specifici, ma non tengono conto dei vari difetti presenti nei materiali reali, " ha detto Snyder. Usando il modello a fascia rigida più semplice, Ha aggiunto, gli scienziati dovrebbero essere in grado di identificare più rapidamente nuove composizioni termoelettriche promettenti e più efficienti.