Drogando un materiale termoelettrico con minuscole quantità di zolfo, un team di ricercatori ha trovato una nuova strada per grandi miglioramenti nell'efficienza dei materiali per il riscaldamento e il raffreddamento a stato solido e il recupero dell'energia di scarto. Questo approccio altera profondamente la struttura a bande elettroniche del materiale – seleniuro di bismuto tellururo – migliorando la cosiddetta "figura di merito, " una classifica delle prestazioni di un materiale che determina l'efficienza nelle applicazioni e apre la porta ad applicazioni avanzate di materiali termoelettrici per raccogliere il calore di scarto dalle centrali elettriche ai chip dei computer.

"Si tratta di una svolta entusiasmante perché ci consente di districare due proprietà accoppiate in modo sfavorevole che limitano le prestazioni termoelettriche, " disse Ganpati Ramanath, un esperto di nanomateriali, e il John Tod Horton '52 Professor of Materials Science and Engineering al Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), che guidava la squadra. "Inoltre, il nostro approccio funziona sia per i nanocristalli che per i materiali sfusi, che è rilevante per le applicazioni."

I materiali termoelettrici possono convertire una tensione in un gradiente termico, facendo sì che un lato di un materiale diventi caldo o freddo e viceversa. L'efficienza con cui un materiale è in grado di convertire una tensione in un gradiente termico è determinata principalmente dalla cifra di merito del materiale. I materiali termoelettrici di ultima generazione non sono molto efficienti, limitandone l'uso ad applicazioni di nicchia come i frigoriferi da picnic, scaldabagni domestici, climatizzatore del seggiolino e occhiali per la visione notturna. Con un sostanziale miglioramento della figura di merito, i materiali termoelettrici potrebbero essere utilizzati per applicazioni più avanzate, come la raccolta del calore di scarto nelle centrali elettriche e nei motori, e il raffreddamento dei chip del computer.

"Il settanta percento di tutta la perdita di energia è calore. Se riusciamo a generare anche il 5% in più di elettricità da quel calore di scarto, saremo sulla buona strada per avere un grande impatto sulla produzione di energia e sulla riduzione delle emissioni di anidride carbonica, " disse Theo Borca-Tasciuc, professore di ingegneria meccanica a Rensselaer e un membro chiave del team, con esperienza in fisica e sistemi termici. "La termoelettrica potrebbe anche consentire un efficiente, compatto, e sistemi modulari in pompa di calore per rivoluzionare il condizionamento dell'aria per applicazioni in auto ed edifici."

La cifra di merito di un materiale termoelettrico dipende da tre proprietà:conducibilità elettrica – la capacità del materiale di condurre elettroni; Coefficiente di Seebeck:la capacità di convertire in modo incrociato elettricità e calore; e conducibilità termica:la capacità del materiale di condurre il calore. Per un'alta figura di merito, un materiale avrebbe un'elevata conduttività elettrica, alto coefficiente di Seebeck, e bassa conducibilità termica. Un ostacolo al raggiungimento di un'elevata cifra di merito è che la conduttività elettrica e il coefficiente di Seebeck hanno una relazione inversa; uno aumenta l'altro diminuisce.

"Drogando il seleniuro di tellururo di bismuto con centinaia di parti per milione di zolfo, siamo in grado di aumentare sia la conduttività elettrica che il coefficiente di Seebeck nei nanocristalli e nei materiali sfusi realizzati dai nanocristalli, " ha detto Ramanath. La ricerca dimostra un aumento fino all'80 per cento della cifra di merito del materiale sfuso. "Migliori maggiori potrebbero essere possibili con un doping più elevato o l'uso di altri droganti".

"La grande sfida nella generazione di energia con il termoelettrico è come ottenere contemporaneamente alta tensione e bassa resistenza. Il nostro lavoro mostra una nuova e importante strada da percorrere:dobbiamo ottimizzare questo metodo e metterlo in pratica, " ha detto David Singh, un professore dell'Università del Missouri i cui calcoli teorici forniscono una base per spiegare i risultati osservati in termini di cambiamenti complessi nella forma della struttura della banda elettronica.

La ricerca è dettagliata nell'11 maggio. 2016, numero in linea di Materiale avanzato nell'articolo "Sfruttare gli effetti della banda topologica nel seleniuro di bismuto tellururo per grandi miglioramenti nelle proprietà termoelettriche attraverso il drogaggio isovalente". Il lavoro è una collaborazione tra i ricercatori di Rensselaer, Università del Missouri, e l'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido in Germania. Per questo lavoro, Devender, il primo autore dell'articolo e uno studente di dottorato di Ramanath, ha ricevuto un premio Norman Stoloff per l'eccellenza nella ricerca universitaria dal Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Rensselaer. Devender attualmente lavora presso GlobalFoundries Inc.

La ricerca di Ramanath esemplifica il lavoro svolto al New Polytechnic, affrontare sfide globali difficili e complesse, la necessità di una collaborazione interdisciplinare e vera, e l'uso degli strumenti e delle tecnologie più recenti, molti dei quali sono sviluppati a Rensselaer. La sua ricerca si concentra su nanomateriali e interfacce per applicazioni in elettronica ed energia. Le sue ricerche includono lo sviluppo di nuovi tipi di materiali sfusi e film sottili attraverso sintesi e assemblaggio diretti, così come la creazione di interfacce molecolari su misura con proprietà nuove o uniche. Le recenti scoperte di Ramanath includono una nuova classe di nanomateriali termoelettrici, inclusa questa nuova variante di seleniuro di tellururo di bismuto drogato con zolfo, costruita da assemblaggi di nanostrutture scolpite per la refrigerazione a stato solido ad alta efficienza e la raccolta di elettricità dal calore di scarto, insieme a strati nanomolecolari di "nanocolla" che possono unire materiali antiaderenti, inibire la mescolanza chimica, e aumentare il trasporto termico.