I materiali termoelettrici convertono il calore in elettricità, che li rende estremamente attraenti per la produzione di energia sostenibile, soprattutto considerando che l'industria può sprecare più di due terzi della sua energia sotto forma di calore. Ma la produzione di massa di energia termoelettrica è attualmente limitata dall'efficienza di conversione a bassa energia. Ora, però, i ricercatori Biswanath Dutta e Poulumi Dey del dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della TU Delft, non solo sono stati in grado di spiegare come le nanostrutture nei materiali termoelettrici possono migliorare l'efficienza energetica, ma anche proporre un modo commercialmente attraente per produrre materiali termoelettrici nanostrutturati, aumentare le possibilità di produzione di massa di energia termoelettrica. I loro risultati sono stati pubblicati in Nano energia .

Il punto di partenza per il lavoro di Dutta e Dey sono stati i risultati sperimentali forniti dai loro co-ricercatori in Corea del Sud che stavano lavorando con un noto materiale termoelettrico, un cosiddetto composto semi-Heusler di NbCoSn. "Questo è fondamentalmente un tipo specifico di struttura cristallina in cui metti alcuni elementi, in questo caso niobio, cobalto e stagno, " spiega Dutta. "E giocando con la quantità e la posizione di ciascuno degli elementi, ad esempio mettendo più niobio al posto del cobalto, puoi vedere come ciò influisce sull'efficienza complessiva del materiale".

Ciò che hanno mostrato i risultati dei loro collaboratori sudcoreani è che a una temperatura specifica, alcuni tipi di nanostrutture si sono formati all'interno di questo materiale. Quindi Dutta e Dey hanno eseguito simulazioni teoriche basate su queste osservazioni:"In primo luogo abbiamo simulato l'effetto dell'aggiunta di uno o due atomi di cobalto in più, e in diverse posizioni, per scoprire se ciò aumenterebbe o meno l'efficienza, " dice Dey. "Si è scoperto che la posizione di questo cobalto in più ha davvero un ruolo importante sull'intera performance di questo materiale, che era qualcosa che il team che faceva gli esperimenti non poteva davvero spiegare perché era al di là della risoluzione delle loro misurazioni".

Inoltre, Dutta e Dey sono stati anche in grado di dimostrare un effetto noto come filtraggio energetico:"Puoi pensarlo come una sorta di barriera agli elettroni al di sotto di una certa energia, che a sua volta migliora la conduttività elettrica complessiva, " spiega Dutta. " Filtrando gli elettroni a bassa energia e permettendo agli elettroni ad alta energia di passare, c'è un aumento dell'efficienza complessiva."

"Questo è un effetto di nanostruttura, " dice Dey. "È la formazione delle nanostrutture nel resto del materiale, e l'interfaccia tra loro, che funge da barriera, quindi se non hai queste nanostrutture, non avrai questo effetto perché non c'è interfaccia. Ma non appena si formano queste nanostrutture, si ottengono queste interfacce che bloccano gli elettroni a bassa energia ma consentono a quelli ad alta energia di passare con il risultato che l'efficienza energetica complessiva è aumentata."

In definitiva, le simulazioni TU Delft hanno suggerito due ragioni per una maggiore efficienza energetica in questo materiale termoelettrico NbCoSn su misura:la presenza di atomi di cobalto extra in posizioni specifiche chiamate siti interstiziali all'interno della struttura reticolare, e anche l'effetto di filtraggio dell'energia.

Inoltre, la migliore comprensione del motivo per cui questo materiale termoelettrico nanostrutturato è più efficiente dal punto di vista energetico suggerisce una migliore, modo più applicabile per produrre energia termoelettrica. "Attualmente, i materiali termoelettrici nanostrutturati sono realizzati attraverso un lungo e rigoroso processo di frantumazione e riscaldamento di strutture preformate, " spiega Dutta "che richiede tempo ed energia, quindi non è l'ideale per la produzione di massa." Piuttosto che seguire il percorso convenzionale, i team hanno suggerito di iniziare con un materiale "non strutturato" o amorfo:"Il vantaggio di iniziare con un materiale amorfo è che non ha una struttura sottostante e quindi non è necessario passare attraverso questo lungo processo di macinazione e riscaldamento per omogeneizzazione. Quindi è più efficiente dal punto di vista energetico e quindi molto più utile per la produzione di massa di energia termoelettrica". Buone notizie per gli ingegneri di quei settori che lavorano sul recupero del calore ad alta temperatura.