Come si mantiene fredda la bibita più piccola del mondo? Gli scienziati dell'UCLA potrebbero avere la risposta.

Un team guidato dal professore di fisica dell'UCLA Chris Regan è riuscito a creare refrigeratori termoelettrici con uno spessore di soli 100 nanometri, circa un decimilionesimo di metro, e ha sviluppato una nuova tecnica innovativa per misurare le prestazioni di raffreddamento.

"Abbiamo realizzato il frigorifero più piccolo del mondo, "disse Regano, l'autore principale di un articolo sulla ricerca pubblicato di recente sulla rivista ACS Nano .

Per essere chiari, questi minuscoli dispositivi non sono frigoriferi nel senso quotidiano:non ci sono porte o cassetti più nitidi. Ma su scale più grandi, la stessa tecnologia viene utilizzata per raffreddare computer e altri dispositivi elettronici, per regolare la temperatura nelle reti in fibra ottica, e per ridurre il "rumore" dell'immagine nei telescopi di fascia alta e nelle fotocamere digitali.

Cosa sono i dispositivi termoelettrici e come funzionano?

Realizzato interponendo due diversi semiconduttori tra piastre metallizzate, questi dispositivi funzionano in due modi. Quando viene applicato il calore, un lato diventa caldo e l'altro rimane freddo; quella differenza di temperatura può essere utilizzata per generare elettricità. Gli strumenti scientifici sulla navicella spaziale Voyager della NASA, ad esempio, sono stati alimentati per 40 anni dall'elettricità di dispositivi termoelettrici avvolti attorno al plutonio che produce calore. Nel futuro, dispositivi simili potrebbero essere utilizzati per aiutare a catturare il calore dallo scarico della tua auto per alimentare il suo condizionatore d'aria.

Ma quel processo può anche essere eseguito al contrario. Quando viene applicata una corrente elettrica al dispositivo, un lato diventa caldo e l'altro freddo, permettendogli di servire come un dispositivo di raffreddamento o frigorifero. Questa tecnologia potenziata potrebbe un giorno sostituire il sistema di compressione del vapore nel tuo frigorifero e mantenere gelida la tua soda reale.

Cosa ha fatto il team dell'UCLA

Per creare i loro refrigeratori termoelettrici, La squadra di Regan, che comprendeva sei studenti universitari dell'UCLA, utilizzato due materiali semiconduttori standard:tellururo di bismuto e tellururo di antimonio-bismuto. Attaccavano un normale scotch a pezzi di materiali sfusi convenzionali, sbucciato e poi raccolto sottile, scaglie monocristalline del materiale ancora attaccate al nastro. Da questi fiocchi, hanno realizzato dispositivi funzionali che sono spessi solo 100 nanometri e hanno un volume attivo totale di circa 1 micrometro cubo, invisibile ad occhio nudo.

Per mettere in prospettiva questo piccolo volume:le tue unghie crescono di migliaia di micrometri cubi ogni secondo. Se le tue cuticole stessero fabbricando questi piccoli dispositivi di raffreddamento invece delle unghie, ogni dito ne sfornerebbe più di 5, 000 dispositivi al secondo.

"Abbiamo battuto il record per il refrigeratore termoelettrico più piccolo del mondo di un fattore superiore a diecimila, " disse Xin Yi Ling, uno degli autori dell'articolo e un ex studente universitario nel gruppo di ricerca di Regan.

Mentre i dispositivi termoelettrici sono stati utilizzati in applicazioni di nicchia grazie a vantaggi quali le loro piccole dimensioni, la loro mancanza di parti in movimento e la loro affidabilità, la loro bassa efficienza rispetto ai sistemi convenzionali basati sulla compressione ha impedito un'adozione diffusa della tecnologia. In poche parole, a scale più grandi, i dispositivi termoelettrici non generano abbastanza elettricità, o rimanere abbastanza freddo, ancora.

Ma concentrandosi sulle nanostrutture, dispositivi con almeno una dimensione nell'intervallo da 1 a 100 nanometri, Regan e il suo team sperano di scoprire nuovi modi per sintetizzare materiali sfusi con prestazioni migliori. Le proprietà ricercate per i materiali nei refrigeratori termoelettrici ad alte prestazioni sono una buona conduttività elettrica e una scarsa conduttività termica, ma queste proprietà si escludono quasi sempre a vicenda. Però, una combinazione vincente potrebbe essere trovata in strutture quasi bidimensionali come quelle che il team di Regan ha creato.

Un'ulteriore caratteristica distintiva del "frigorifero" su nanoscala del team è che può rispondere quasi istantaneamente.

"Le sue piccole dimensioni lo rendono milioni di volte più veloce di un frigorifero che ha un volume di un millimetro a cubetti, e sarebbe già milioni di volte più veloce del frigorifero che hai in cucina, " ha detto Regano.

"Una volta capito come funzionano i refrigeratori termoelettrici a livello atomico e quasi atomico, " Egli ha detto, "possiamo scalare fino alla macroscala, dov'è la grande ricompensa."

Misurare quanto diventano freddi i dispositivi

Misurare la temperatura in dispositivi così piccoli è una sfida. I termometri ottici hanno una scarsa risoluzione su scale così piccole, mentre le tecniche di scansione della sonda richiedono specializzati, attrezzature costose. Entrambi gli approcci richiedono calibrazioni accurate.

Nel 2015, Il gruppo di ricerca di Regan ha sviluppato una tecnica di termometria chiamata PEET, o termometria ad espansione di energia plasmonica, che utilizza un microscopio elettronico a trasmissione per determinare le temperature su scala nanometrica misurando le variazioni di densità.

Per misurare la temperatura dei loro refrigeratori termoelettrici, i ricercatori hanno depositato nanoparticelle costituite dall'elemento indio su ciascuna di esse e hanno selezionato una particella specifica come termometro. Man mano che il team variava la quantità di potenza applicata ai dispositivi di raffreddamento, i dispositivi riscaldati e raffreddati, e l'indio corrispondentemente si espanse e si contrasse. Misurando la densità dell'indio, i ricercatori sono stati in grado di determinare la temperatura precisa della nanoparticella e quindi del dispositivo di raffreddamento.

"Il PEET ha la risoluzione spaziale per mappare i gradienti termici su una scala di pochi nanometri, un regime quasi inesplorato per i materiali termoelettrici nanostrutturati, "disse Regano, che è un membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA.

Per integrare le misurazioni PEET, i ricercatori hanno inventato una tecnica chiamata termometria a condensazione. L'idea di base è semplice:quando l'aria normale si raffredda a una certa temperatura, il punto di rugiada, il vapore acqueo nell'aria si condensa in goccioline liquide, o rugiada o pioggia. Il team ha sfruttato questo effetto alimentando il proprio dispositivo mentre lo osservava con un microscopio ottico. Quando il dispositivo ha raggiunto il punto di rugiada, minuscole gocce di rugiada si formarono istantaneamente sulla sua superficie.

Regan ha elogiato il lavoro dei suoi studenti ricercatori nell'aiutare a sviluppare e misurare le prestazioni dei dispositivi su scala nanometrica.

"Collegare la scienza dei materiali avanzata e la microscopia elettronica alla fisica nelle aree di tutti i giorni, come la refrigerazione e la formazione di rugiada, aiuta gli studenti ad affrontare i problemi molto rapidamente, " Ha detto Regan. "Guardarli imparare e innovare mi dà molta speranza per il futuro dei termoelettrici".