Se sei mai andato a fare un giro in un'auto di lusso e hai sentito che la tua schiena veniva riscaldata o rinfrescata da un sistema di climatizzazione basato sul sedile, allora probabilmente hai sperimentato i vantaggi di una classe di materiali chiamati termoelettrici. I materiali termoelettrici convertono il calore in elettricità, e viceversa, e presentano molti vantaggi rispetto ai sistemi di riscaldamento e raffrescamento più tradizionali.

Recentemente, i ricercatori hanno osservato che le prestazioni di alcuni materiali termoelettrici possono essere migliorate combinando diverse fasi solide:più di un materiale mescolato come i grumi di grasso e carne in una fetta di salame. Le osservazioni offrono la prospettiva allettante di aumentare significativamente l'efficienza energetica dei termoelettrici, ma gli scienziati non hanno ancora gli strumenti per comprendere appieno come le proprietà di massa derivano da combinazioni di fasi solide.

Ora un team di ricerca con sede presso il California Institute of Technology (Caltech) ha sviluppato un nuovo modo per analizzare le proprietà elettriche dei termoelettrici che hanno due o più fasi solide. La nuova tecnica potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere meglio le proprietà termoelettriche multifase e offrire indicazioni su come progettare nuovi materiali per ottenere le migliori proprietà.

Il team descrive la loro nuova tecnica in un articolo pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata .

Una vecchia teoria fa un 180

Poiché a volte è difficile produrre separatamente i componenti puri che costituiscono i materiali multifase, i ricercatori non possono sempre misurare direttamente le proprietà della fase pura. Il team di Caltech ha superato questa sfida sviluppando un modo per calcolare le proprietà elettriche delle singole fasi sperimentando solo direttamente con il composito.

"È come se avessi fatto dei biscotti con gocce di cioccolato, e vuoi sapere che sapore hanno le gocce di cioccolato e la pastella da sole, ma non puoi, perché ogni boccone che prendi ha sia gocce di cioccolato che pastella, "ha detto Jeff Snyder, un ricercatore al Caltech specializzato in materiali e dispositivi termoelettrici.

Per separare "patatine" e "pasta" senza sfornare il biscotto, Snyder e i suoi colleghi si sono rivolti a una teoria vecchia di decenni, chiamata teoria del mezzo efficace, e gli hanno dato una nuova svolta.

"La teoria del mezzo efficace è piuttosto vecchia, " disse Tristan Day, uno studente laureato nel laboratorio Caltech di Snyder e primo autore dell'articolo APL. La teoria è tradizionalmente utilizzata per prevedere le proprietà di un composito sfuso in base alle proprietà delle singole fasi. "La novità di ciò che abbiamo fatto è che abbiamo preso un composito, e poi ritirato le proprietà di ciascuna fase costituente, " disse Giorno.

La chiave per far funzionare l'inversione sta nel modo diverso in cui ogni parte di un materiale termoelettrico composito risponde a un campo magnetico. Misurando determinate proprietà elettriche su una gamma di diverse intensità di campo magnetico, i ricercatori sono stati in grado di distinguere l'influenza delle due diverse fasi.

Il team ha testato il loro metodo sul Cu1.97 Ag0.03Se termoelettrico ampiamente studiato, che consiste in una struttura cristallina principale di Cu2Se e una fase di impurità con la struttura cristallina di CuAgSe.

Controllo della temperatura del futuro?

I materiali termoelettrici sono attualmente utilizzati in molte applicazioni di nicchia, compresi seggiolini auto climatizzati, refrigeratori per vino, e frigoriferi medici utilizzati per conservare medicinali sensibili alla temperatura.

"I vantaggi definitivi dell'utilizzo dei termoelettrici sono che non ci sono parti mobili nel meccanismo di raffreddamento, e non devi avere le stesse fluttuazioni di temperatura tipiche di un frigorifero a compressore che si accende ogni mezz'ora, fa un po' rumore e poi si spegne, " ha detto Snyder.

Uno degli svantaggi dei sistemi di raffreddamento termoelettrici, però, è il loro consumo energetico.

Se utilizzato allo stesso modo di un sistema di raffreddamento a compressore, la maggior parte dei termoelettrici commerciali richiederebbe circa 3 volte più energia per fornire la stessa potenza di raffreddamento. L'analisi teorica suggerisce che l'efficienza energetica dei termoelettrici potrebbe essere notevolmente migliorata se si trovassero le giuste combinazioni di materiali e strutture, e questa è un'area in cui i nuovi metodi di calcolo di Synder e dei suoi colleghi possono essere d'aiuto.

Molti dei vantaggi in termini di prestazioni dei termoelettrici multifase possono derivare da effetti quantistici generati da strutture su micro e nanoscala. I calcoli dei ricercatori del Caltech fanno ipotesi classiche, ma Snyder osserva che le discrepanze tra i calcoli e le proprietà osservate potrebbero confermare gli effetti su scala nanometrica.

Snyder sottolinea anche che mentre i termoelettrici possono essere meno efficienti dal punto di vista energetico dei compressori, le loro dimensioni ridotte e la loro versatilità ne consentono l'utilizzo in modi più intelligenti per ridurre il consumo di energia. Per esempio, riscaldatori o refrigeratori termoelettrici potrebbero essere posizionati in aree strategiche intorno a un'auto, come il sedile e il volante. I sistemi termoelettrici creerebbero la sensazione di calore o freschezza per il conducente senza consumare l'energia per modificare la temperatura dell'intera cabina.

"Non so te, ma quando sono a disagio in macchina è perché sono seduto su un sedile caldo e il mio sedere è caldo, " ha detto Snyder. "In linea di principio, 100 watt di raffreddamento su un seggiolino auto potrebbero sostituire 1000 watt in cabina".

In definitiva, il team vorrebbe utilizzare la sua nuova conoscenza dei termoelettrici per progettare materiali "intelligenti" personalizzati con le proprietà giuste per qualsiasi applicazione particolare.

"Ci divertiamo molto perché pensiamo a noi stessi come ingegneri dei materiali con la tavola periodica e le microstrutture come i nostri campi da gioco, " ha detto Snyder.