I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno dimostrato che una quantità nota come conduttività termoelettrica è una misura efficace per la dimensionalità dei nanomateriali termoelettrici di nuova concezione. Studio di film di nanotubi di carbonio a parete singola semiconduttori e fogli atomicamente sottili di solfuro di molibdeno e grafene, hanno trovato chiare distinzioni nel modo in cui questo numero varia con la conduttività, in accordo con le previsioni teoriche nei materiali 1D e 2D. Tale metrica promette migliori strategie di progettazione per i materiali termoelettrici.

I dispositivi termoelettrici rilevano le differenze di temperatura tra materiali diversi e generano energia elettrica. L'esempio più semplice sono due strisce di metalli diversi saldate insieme alle due estremità per formare un anello; riscaldando una delle giunzioni mantenendo l'altra fresca si crea una corrente elettrica. Questo è chiamato effetto Seebeck. Le sue potenziali applicazioni promettono un utilizzo efficace dell'enorme quantità di energia che viene sprecata come calore dissipato nella vita di tutti i giorni, sia che si tratti di trasmissione di potenza, scarico industriale, o anche calore corporeo. Nel 1993, è stato teorizzato che atomicamente sottile, i materiali unidimensionali avrebbero il mix ideale di proprietà necessarie per creare dispositivi termoelettrici efficienti. La ricerca risultante ha portato all'applicazione di nanomateriali come i nanotubi di carbonio a parete singola semiconduttori (SWCNT).

Però, c'era un problema in corso che impediva la caratterizzazione accurata di nuovi progetti e sistemi. Le proprietà chiave dei dispositivi termoelettrici sono la conduttività termica, conduttività elettrica, e il coefficiente di Seebeck, una misura di quanta tensione viene creata all'interfaccia tra diversi materiali per una data differenza di temperatura. Mentre la scienza dei materiali avanzava nell'era della nanotecnologia, questi numeri non erano sufficienti per esprimere una proprietà chiave dei nuovi nanomateriali che si stavano creando:la "dimensionalità" del materiale, o come 1D, Il materiale si comporta in modo 2D o 3D. Senza un affidabile, metrica univoca, diventa difficile discutere, per non parlare dell'ottimizzazione di nuovi materiali, in particolare come la dimensionalità della loro struttura porta a prestazioni termoelettriche migliorate.

Per affrontare questo dilemma, un team guidato dal professor Kazuhiro Yanagi della Tokyo Metropolitan University ha deciso di esplorare un nuovo parametro recentemente segnalato da studi teorici, la "conducibilità termoelettrica". A differenza del coefficiente di Seebeck, i calcoli teorici del team hanno confermato che questo valore variava in modo diverso con l'aumento della conduttività per 1D, Sistemi 2D e 3D. Lo hanno anche confermato sperimentalmente, preparare film sottili di nanotubi di carbonio a parete singola e fogli atomicamente sottili di solfuro di molibdeno e grafene, materiali archetipici rispettivamente in 1D e 2D. Le misurazioni hanno mostrato in modo conclusivo che la conduttività termoelettrica del materiale 1D è diminuita a valori più elevati di conduttività, mentre la curva per i materiali 2D si è stabilizzata. Notano inoltre che ciò dimostra come la dimensionalità del materiale venga mantenuta anche quando il materiale viene preparato in film macroscopici, un grande impulso agli sforzi per sfruttare la dimensionalità specifica di alcune strutture per migliorare le prestazioni termoelettriche.

In combinazione con calcoli teorici, il team conclude che l'elevata conduttività termoelettrica, elevata conducibilità elettrica convenzionale, e la bassa conduttività termica sono obiettivi chiave per la progettazione di nuovi dispositivi. Sperano che questi misurabili, obiettivi tangibili porteranno la chiarezza e l'unità necessarie allo sviluppo di dispositivi termoelettrici all'avanguardia.