Gli scienziati dell'Università del Colorado Boulder hanno trovato un modo creativo per migliorare radicalmente i materiali termoelettrici, una scoperta che un giorno potrebbe portare allo sviluppo di pannelli solari migliorati, apparecchiature di raffreddamento più efficienti dal punto di vista energetico, e persino la creazione di nuovi dispositivi che potrebbero trasformare le grandi quantità di calore sprecato nelle centrali elettriche in più elettricità.

La tecnica, la costruzione di una serie di minuscoli pilastri sopra un foglio di materiale termoelettrico, rappresenta un modo completamente nuovo di affrontare un problema secolare, disse Mahmoud Hussein, un assistente professore di scienze di ingegneria aerospaziale che ha aperto la strada alla scoperta.

L'effetto termoelettrico scoperto per la prima volta nel 1800, si riferisce alla capacità di generare una corrente elettrica da una differenza di temperatura tra un lato di un materiale e l'altro. Al contrario, l'applicazione di una tensione elettrica a un materiale termoelettrico può causare il riscaldamento di un lato del materiale mentre l'altro rimane freddo, o, in alternativa, un lato per raffreddare mentre l'altro rimane caldo.

I dispositivi che incorporano materiali termoelettrici sono stati utilizzati in entrambi i modi:per creare elettricità da una fonte di calore, come il sole, Per esempio, o per raffreddare strumenti di precisione consumando elettricità.

Però, l'uso diffuso dei materiali termoelettrici è stato ostacolato da un problema fondamentale che ha impegnato gli scienziati per decenni. I materiali che consentono all'elettricità di fluire attraverso di essi consentono anche al calore di fluire attraverso di essi. Ciò significa che allo stesso tempo una differenza di temperatura crea un potenziale elettrico, la differenza di temperatura stessa inizia a dissiparsi, indebolendo la corrente che ha creato.

Fino agli anni '90, gli scienziati hanno affrontato questo problema cercando materiali con proprietà intrinseche che consentissero all'elettricità di fluire più facilmente del calore.

"Fino a 20 anni fa, la gente guardava la chimica dei materiali, " Ha detto Hussein. "E poi la nanotecnologia è entrata in scena e ha permesso ai ricercatori di progettare i materiali per le proprietà che volevano".

Utilizzando le nanotecnologie, i fisici dei materiali iniziarono a creare barriere nei materiali termoelettrici, come fori o particelle, che impedivano il flusso di calore più del flusso di elettricità. Ma anche nella migliore delle ipotesi, anche il flusso di elettroni, che trasportano energia elettrica, è stato rallentato.

In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , Hussein e il dottorando Bruce Davis dimostrano che la nanotecnologia potrebbe essere utilizzata in un modo completamente diverso per rallentare il trasferimento di calore senza influenzare il movimento degli elettroni.

Il nuovo concetto prevede la costruzione di una serie di pilastri su scala nanometrica sopra un foglio di materiale termoelettrico, come il silicio, per formare quello che gli autori chiamano un "metamateriale nanofononico". Il calore viene trasportato attraverso il materiale come una serie di vibrazioni, conosciuti come fononi. Anche gli atomi che compongono i pilastri in miniatura vibrano a una varietà di frequenze. Davis e Hussein hanno usato un modello al computer per mostrare che le vibrazioni dei pilastri avrebbero interagito con le vibrazioni dei fononi, rallentando il flusso di calore. Non si prevede che le vibrazioni del pilastro influiscano sulla corrente elettrica.

Il team stima che i loro pilastri su nanoscala potrebbero ridurre della metà il flusso di calore attraverso un materiale, ma la riduzione potrebbe essere significativamente più forte perché i calcoli sono stati fatti in modo molto conservativo, disse Hussein.

"Se possiamo migliorare significativamente la conversione dell'energia termoelettrica, ci saranno tutti i tipi di importanti applicazioni pratiche, "Ha detto Hussein. Questi includono il recupero del calore di scarto emesso da diversi tipi di apparecchiature, dai laptop alle auto alle centrali elettriche, e la trasformazione di quel calore in elettricità. Anche una migliore termoelettrica potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza dei pannelli solari e dei dispositivi di refrigerazione.

Il prossimo passo è che Hussein collabori con i colleghi del dipartimento di fisica e altre istituzioni per fabbricare i pilastri in modo che l'idea possa essere testata in laboratorio. "Questo è ancora all'inizio della fase di dimostrazione di laboratorio, ma i passaggi rimanenti sono a portata di mano".

Hussein spera anche di perfezionare ulteriormente i modelli che ha usato per ottenere ulteriori informazioni sulla fisica sottostante. "Un team di dottorandi altamente motivati ​​sta lavorando con me 24 ore su 24 su questo progetto, " Egli ha detto.