L'efficienza è grande nel piccolo mondo dei nanofili termoelettrici. I ricercatori dei Sandia National Laboratories affermano che materiali e tecniche di produzione migliori per i nanofili potrebbero consentire alle case automobilistiche di raccogliere energia dal calore sprecato dai sistemi di scarico o portare a dispositivi più efficienti per raffreddare i chip dei computer.

I ricercatori di Sandia hanno pubblicato un documento, "Utilizzo dell'elettroformatura galvanostatica di Bi _1-x Sb _X Nanofili per controllare la composizione, Cristallinità e Orientamento, " nell'edizione del 28 gennaio del bollettino MRS della Materials Research Society. Gli autori sono W. Graham Yelton, Steven J. Limmer, Douglas L. Medlin, Michael P. Siegal, Michelle Hekmaty, Jessica L. Lench-Falk, Kristopher Erickson e Jamin Pillars.

Il lavoro è stato la prima volta che i ricercatori sono riusciti a controllare l'orientamento dei cristalli, dimensione dei cristalli e uniformità della lega mediante un unico processo. Tutti e tre i fattori contribuiscono a migliori prestazioni termoelettriche, ha detto Yelton.

"I tre insieme significano un enorme guadagno, ed è difficile da fare, " ha detto. "È girare le manopole del processo per far sì che queste cose si comportino bene".

Migliori geometrie dei nanofili possono ridurre la conduttività termica e migliorare quella che viene chiamata la figura di merito termoelettrica, una misura della conduttività elettrica e termica di un materiale. Maggiore è la conduttività elettrica e minore è la conduttività termica, maggiore è la cifra di merito e, perciò, più efficiente è il materiale. Però, la qualità dei precedenti nanofili termoelettrici si è rivelata inadeguata.

L'uso dei nanofili termoelettrici nella sua infanzia

Nonostante la loro inefficienza, alcuni materiali termoelettrici sono già in uso. Yelton paragona il loro stadio di sviluppo ai primi giorni delle celle solari fotovoltaiche:tutti ne vedevano il potenziale, ma erano così inefficienti che venivano usati solo quando nient'altro funzionava.

Una maggiore efficienza nei nanofili aumenterebbe l'uso di materiali termoelettrici. Sono già utilizzati in alcuni sensori, e i produttori di veicoli sperano di poter raccogliere il calore dai sistemi di scarico per alimentare i sistemi di sensori dei veicoli, ha detto Yelton. La riduzione della potenza necessaria per far funzionare il sistema operativo di un veicolo potrebbe ridurre il peso della batteria e dell'alternatore e forse eliminare alcune apparecchiature per la generazione di energia, tagliando le dimensioni e il peso del veicolo.

L'articolo di Sandia descrive come il team ha creato array di nanocavi termoelettrici con composizione uniforme lungo la lunghezza del nanofilo e attraverso la diffusione dell'array di nanofili, che potenzialmente può includere centinaia di milioni di nanofili. Inoltre, hanno creato cristalli di nanofili di dimensione e orientamento uniformi, o direzione. La composizione uniforme migliora l'efficienza, mentre l'orientamento è importante quindi gli elettroni, i vettori di energia, fluire meglio.

Il team ha utilizzato un metodo economico chiamato elettroformatura a temperatura ambiente, che è molto diffuso nella galvanica commerciale. L'elettroformatura deposita il materiale a velocità costante, che a sua volta consente ai nanofili di crescere a un ritmo costante. Il metodo ha prodotto fili di 70-75 nanometri di diametro e lunghi molti micron.

Yelton usava impulsi di corrente controllata per depositare il materiale termoelettrico, controllando così la composizione in tutto il filo e l'array. "Ci sono piccole sfumature nella tecnica che faccio per consentire l'orientamento, la crescita dei cristalli e la composizione devono essere mantenute entro un intervallo abbastanza ristretto, " Egli ha detto.

La tecnica ha consentito il controllo su importanti aspetti della formazione dei nanofili

Il metodo ha prodotto un abbastanza grande, struttura a filo cristallino leggermente attorcigliato che era quasi un singolo cristallo e aveva l'orientamento desiderato. "Senza questo, non potresti ottenere buone efficienze, "Ha detto Yelton.

Anche la chimica del materiale è importante. Per la squadra di Sandia, i sali di antimonio svolgono un ruolo importante nella qualità e nell'orientamento cristallino. Le leghe di bismuto-antimonio (Bi-Sb) hanno alcune delle più alte prestazioni termoelettriche, agendo sia come conduttori di elettricità che come isolanti contro il calore, tra molti materiali per applicazioni a temperatura ambiente. Ma i materiali Bi-Sb esistenti non producono un raffreddamento a stato solido efficace quando l'alimentazione viene costantemente fornita al dispositivo da raffreddare, come un computer.

Il team di Sandia voleva un composto che si comportasse come un metallo ma non conducesse calore. Legare l'antimonio con il bismuto va bene, ha detto Yelton. Gli array di nanofili Bi-Sb elettroformati con una chimica a base di ioduro di antimonio mancavano delle qualità necessarie, ma gli array elettroformati da una chimica a base di cloruro di antimonio hanno prodotto cristallografia e orientamento per le massime prestazioni termoelettriche.

"La chimica ci ha permesso di passare dalla struttura poli nanocristallina a quasi cristalli singoli di 2-5 micrometri, " dare un migliore controllo sull'uniformità, ha detto Yelton.

Prossimo passo:creare un contatto elettrico

Il passo successivo è più impegnativo:stabilire un contatto elettrico e studiare il comportamento termoelettrico risultante.

"I materiali termoelettrici formano facilmente ossidi o intermetallici, portando a connessioni di contatto scadenti o a una maggiore resistenza di contatto elettrico. Ciò riduce i guadagni ottenuti nello sviluppo dei materiali, "Ha detto Yelton.

Mentre il team di Sandia è stato in grado di ottenere un buon contatto nella parte inferiore di un array, fare una connessione in alto si è rivelato difficile, Egli ha detto.

"Per stabilire un contatto e misurare le prestazioni dell'array non è banale, "Ha detto Yelton.

Lui e i suoi colleghi stanno cercando ulteriori finanziamenti per risolvere il problema di stabilire contatti con successo, e quindi caratterizzare le proprietà termoelettriche degli array. "Se ha successo nei laboratori, cercheremmo di trovare un collaboratore di settore per maturare l'idea, " Egli ha detto.