I sistemi termoelettrici rappresentano un modo ecologico e sostenibile per raccogliere energia da qualsiasi forma di calore che altrimenti andrebbe sprecata. Al centro di questo processo di conversione dell'energia c'è il cosiddetto effetto Seebeck, che descrive la tensione che si accumula su un materiale esposto a una differenza di temperatura.
Tuttavia, nonostante più di 100 anni di intensa ricerca, l'efficienza termoelettrica è ancora inferiore a quella dei motori termici convenzionali, rendendo i motori termoelettrici adatti solo ad applicazioni di nicchia.
Ecco perché uno degli sforzi principali degli scienziati oggi è trovare nuove strategie per migliorare questa efficienza. Il nostro ultimo articolo "Impatto dell'entropia di spin sulle proprietà termoelettriche di un magnete 2D", pubblicato su Nano Letters , dimostra che una soluzione potrebbe risiedere in circuiti basati su strati magnetici bidimensionali (2D).
Le proprietà termoelettriche sono significativamente influenzate dall'entropia, che quantifica il disordine in un sistema. Pertanto, tutti i meccanismi che aumentano tali parametri possono migliorare l'efficienza di conversione del dispositivo di raccolta di energia.
Nei materiali magnetici 2D, due fattori aggiuntivi possono alterare l'entropia:l'ordine magnetico, che genera un contributo di "spin-entropia", e il numero di strati a cui un portatore di carica può accedere in un materiale stratificato 2D, che produce un'ulteriore "entropia di strato". "
Nel nostro articolo vengono misurate le proprietà di trasporto elettrico e termoelettrico dell'antiferromagnete 2D CrSBr, modificando contemporaneamente l'ordine magnetico del materiale variando la temperatura del campione o applicando un campo magnetico esterno. Lo studio riporta che la risposta termoelettrica aumenta con la temperatura man mano che gli elettroni e gli spin si mobilitano, raggiungendo un massimo locale intorno alla temperatura di Néel della transizione di fase magnetica.
Inoltre, è dimostrato che un campo magnetico può aumentare il fattore di potenza termoelettrico fino al 600% a basse temperature. Questi fenomeni sono spiegati dall'interazione dei diversi contributi di entropia nel materiale ed evidenziano il forte impatto che l'ordine magnetico ha sulla risposta termoelettrica dei magneti 2D.
I risultati che riportiamo dimostrano come l'uso dei magneti potrebbe superare i limiti dei dispositivi convenzionali di raccolta di energia, poiché le loro proprietà termoelettriche possono essere ottimizzate alterando la fase magnetica e quindi regolando l'impatto dell'entropia di spin.
Inoltre, l’uso di materiali 2D sblocca ulteriori gradi di libertà, come la possibilità di regolare la temperatura di transizione mediante molteplici fattori – ad esempio spessore del film, composizione, gating elettrostatico – che potrebbero consentire di massimizzare le prestazioni termoelettriche a temperatura ambiente. Tutti questi risultati rappresentano il primo elemento fondamentale di un nuovo modo di progettare raccoglitori di energia più efficienti.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su Science X Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Alessandra Canetta et al, Impatto dell'entropia di spin sulle proprietà termoelettriche di un magnete 2D, Nano lettere (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00809
Informazioni sul giornale: Nanolettere
Alessandra Canetta è una dottoranda al terzo anno presso l'UCLouvain (Belgio), sotto la supervisione del Prof. Pascal Gehring. Il progetto di dottorato di Canetta si concentra sullo studio delle proprietà termiche e termoelettriche dei materiali 2D, in particolare dei magneti 2D.
