Dalla tua macchina calda al tuo laptop caldo, ogni macchina e dispositivo nella tua vita spreca molta energia attraverso la perdita di calore. Ma i dispositivi termoelettrici, che convertono il calore in elettricità e viceversa, può sfruttare quel calore sprecato, e possibilmente fornire l'efficienza energetica della tecnologia verde necessaria per un futuro sostenibile.

Ora, un nuovo studio mostra come le sostanze porose possono agire come materiali termoelettrici, indicando la strada per l'ingegneria dell'uso di tali materiali nei dispositivi termoelettrici del futuro.

Circa il 70 percento di tutta l'energia generata nel mondo viene sprecata sotto forma di calore, ha affermato Dimitris Niarchos del Centro nazionale per la ricerca scientifica Demokritos di Atene, Grecia. Lui e Roland Tarkhanyan, anche di NCSR Demokritos, hanno pubblicato la loro analisi sulla rivista Materiali APL , da AIP Publishing.

Per creare la tecnologia necessaria per catturare questo calore, ricercatori di tutto il mondo hanno cercato di progettare materiali termoelettrici più efficienti. Un materiale promettente è quello pieno di minuscoli fori di dimensioni variabili da circa un micron (10-6 metri) a circa un nanometro (10 ^-9 metri). "I termoelettrici porosi possono svolgere un ruolo significativo nel miglioramento dei termoelettrici come valida alternativa per la raccolta del calore disperso, " ha detto Niarco.

Il calore viaggia attraverso un materiale tramite i fononi, unità quantizzate di vibrazione che agiscono come particelle portatrici di calore. Quando un fonone entra in un buco, si disperde e perde energia. I fononi quindi non possono trasportare il calore attraverso un materiale poroso in modo altrettanto efficiente, conferendo al materiale una bassa conducibilità termica, che risulta aumentare l'efficienza della conversione del calore in elettricità. Più il materiale è poroso, minore è la conducibilità termica, e meglio è come materiale termoelettrico.

Finora, però, i ricercatori devono ancora modellare sistematicamente come i materiali porosi mantengono una bassa conduttività termica, ha detto Niarchos. Così lui e Tarkhanyan hanno studiato le proprietà termiche di quattro semplici strutture modello di materiali micro-nano porosi. Questa analisi, Niarchos dice, fornisce un progetto approssimativo su come progettare tali materiali per dispositivi termoelettrici.

Globale, i ricercatori hanno scoperto che più piccoli sono i pori e più vicini sono ammassati insieme, minore è la conducibilità termica. I loro calcoli corrispondono bene ai dati di altri esperimenti, ha detto Niarchos. Dimostrano anche che, in linea di principio, i materiali micro-nano porosi possono essere molte volte migliori nel convertire il calore in elettricità che se il materiale non avesse pori.

Il primo modello descrive un materiale riempito con fori di dimensioni casuali, che vanno da micron a nanometri di diametro. Il secondo è uno con più strati in cui ogni strato contiene pori di diverse scale di dimensioni, che gli conferisce una porosità diversa. Il terzo è un materiale composto da un reticolo cubico tridimensionale di fori identici. Il quarto è un altro sistema multistrato. Ma in questo caso, ogni strato contiene un reticolo cubico di fori identici. La dimensione dei fori è diversa in ogni strato.

Secondo l'analisi, il primo e il quarto modello hanno conducibilità termiche inferiori rispetto al secondo. Il terzo modello sembra essere il migliore, in quanto ha anche una conducibilità termica inferiore rispetto al quarto modello.

Fatta eccezione per il primo modello, però, tutti i modelli non sono pratici perché rappresentano situazioni idealizzate con una perfetta disposizione dei pori, ha detto Niarchos. È anche praticamente impossibile creare pori di dimensioni esattamente uguali. Il primo modello è quindi il più realistico.

Ancora, Egli ha detto, tutti i modelli distinti dimostrano l'importanza della porosità nei materiali termoelettrici. Costruito su formule analitiche semplici e generali, i modelli consentono un calcolo molto veloce e accurato della conducibilità termica reticolare effettiva di un materiale poroso e l'analisi sistematica di tali materiali.