Bruce White ha lavorato con semiconduttori e transistor presso Motorola e Texas Instruments. Ma quando ha lasciato l'industria per un posto nella facoltà della Binghamton University, lo scienziato dei materiali ha deciso di portare la sua ricerca in una nuova direzione. "Non volevo solo continuare a lavorare su transistor e memoria, "Dice White. "Volevo provare ad applicare quegli strumenti ai grandi problemi che hanno un impatto sulla società".
L'energia è uno di quei grandi problemi; negli Stati Uniti, più della metà dell'energia che bruciamo ogni anno viene dispersa sotto forma di calore invece di essere utilizzata.
"Facciamo tutto questo lavoro per estrarre il petrolio dalla terra e raffinarlo, ma quando proviamo a lavorarci sopra, la maggior parte dell'energia esce dal tubo di scappamento di un'auto o dalla ciminiera di una centrale elettrica, "Dice White. "Anche se potessimo recuperare una piccola frazione di ciò che buttiamo via come calore, che avrebbe un impatto significativo sul nostro consumo di energia."
Ci sono modi per trasformare il calore in elettricità. Se un materiale è caldo da un lato e freddo dall'altro, il flusso di calore dal caldo al freddo può essere trasformato in elettricità. Ma la maggior parte dei materiali termoelettrici oggi sul mercato non sono molto bravi a farlo. La parte difficile, Bianco dice, sta facendo fluire il calore attraverso il materiale sul retro degli elettroni. Nella maggior parte dei materiali, il calore scorre in un'onda che fa semplicemente vibrare più velocemente gli atomi del materiale. Non è un fenomeno utile, e finisce per distruggere l'importante differenziale caldo-freddo. In molti materiali, la vibrazione degli atomi porta via il 90% del calore prima che possa essere imbrigliato.
L'obiettivo di White è creare materiali in cui gli effetti vibrazionali siano ridotti al minimo o, in altre parole, dove una percentuale maggiore del calore viene trasportata dagli elettroni, creando un flusso di elettricità. Pensa anche che sia importante assicurarsi che quei materiali siano abbondanti e non tossici.
Il bianco potrebbe aver trovato un candidato nell'ossido di zinco, una sostanza utilizzata in molte marche di crema solare. L'ossido di zinco è abbondante, economico e sicuro, e sembra essere davvero bravo a spostare gli elettroni in giro. Sfortunatamente, nel suo stato normale, l'ossido di zinco ha una struttura molecolare che trasporta il calore facendo vibrare gli atomi invece di trasformarlo in elettricità.
Manipolando l'ossido di zinco a livello molecolare, White e i suoi colleghi sono in grado di migliorare la generazione di elettricità. Primo, allungano il materiale in fili che misurano 50 nanometri di diametro. (Sono circa 10, 000 volte più sottile di un capello umano.) Questa incredibile magrezza cambia il modo in cui il calore si diffonde attraverso il materiale. Prossimo, incorporano i nanofili in un aerogel di silice, una sostanza terribile nel condurre il calore. A causa delle interazioni interessanti e uniche che si verificano su scale molto piccole, i nanofili possono assumere le proprietà dei materiali circostanti. In questo caso, i fili sono diventati conduttori di calore molto poveri. La loro capacità di condurre il calore attraverso le vibrazioni atomiche è diminuita di un fattore 10, così la loro efficienza nel trasformare il calore in elettricità aumentò. I risultati sono stati pubblicati nell'aprile 2013 in Lettere di fisica applicata , la rivista più importante del settore.
La cosa particolarmente eccitante di questa scoperta, Bianco dice, è che i materiali dei fili e dell'aerogel possono essere mescolati e abbinati per personalizzare le proprietà termoelettriche per diverse applicazioni, come lo sfruttamento del calore di scarto da una centrale elettrica, automobile o forno domestico. Poiché gli aerogel sono quasi trasparenti, White prevede persino di realizzare rivestimenti per finestre che sfruttano le differenze di temperatura interna rispetto a quella esterna per generare elettricità.
Con i materiali giusti, potrebbe essere possibile eliminare del tutto il motore a combustione interna. White e i membri del suo laboratorio pensano di avere un modo per farlo. Tutto si riduce al silicio, che è un eccellente semiconduttore, ecco perché i nostri dispositivi elettronici sono a base di silicio, ma è anche molto bravo a condurre il calore tramite vibrazioni atomiche. Il gruppo di White si sta sbarazzando di quelle vibrazioni costruendo un composito di silicio-stagno usando una nuova tecnica di fabbricazione che fa crescere il materiale strato dopo strato.
Il lavoro ha attirato l'attenzione dell'Ufficio Ricerche Navali, che fornisce finanziamenti per la ricerca di White. "È il suo metodo di fabbricazione che lo rende davvero diverso, "dice Robert Walters, capo della Divisione Dispositivi a Stato Solido del Laboratorio di Ricerca Navale. "Bruce ha sviluppato la tecnica di fabbricazione che riteniamo possa effettivamente raggiungere la struttura a strati di silicio-stagno, che pensiamo di dover davvero avere per disaccoppiare le proprietà termiche ed elettriche del silicio. … È un'ottima idea. È innovativo ed è diverso dalle altre cose che abbiamo visto".
Il nuovo materiale composito ha una conduttività termica pari a 1, 000 volte inferiore al silicio normale. Il gruppo spera di renderlo ancora tre volte più basso rendendo il cristallo più puro e più uniformemente modellato. Se la conduttività termica diventa così bassa, il materiale sarebbe così bravo a trasformare il calore in elettricità che potrebbe alimentare un'auto con la combustione di una fiamma.
Questo è lontano nel futuro, anche se. Mentre lavorano per perfezionare i materiali che hanno già sviluppato, Il gruppo di White è sul punto di creare materiali meno estremi che potrebbero comunque avere un grande impatto. Materiali che trattengono il calore, che potrebbe essere montato a posteriori sul tubo di scappamento o sul radiatore di un'auto, potrebbe presto generare abbastanza elettricità per alimentare l'elettronica dell'auto. "Questo da solo potrebbe aumentare l'efficienza del carburante di poche miglia per gallone, " dice White. "Quando si pensa di integrarlo sull'intero parco automobilistico, che fa una grande differenza."
