Innovazioni nei Materiali Termoelettrici
Recentemente, un gruppo di scienziati ha fatto un notevole progresso nella creazione di materiali termoelettrici altamente efficienti, capaci di competere con le soluzioni più avanzate disponibili sul mercato. Questi nuovi materiali non solo offrono una maggiore stabilità, ma si presentano anche a costi inferiori, rendendoli particolarmente interessanti per applicazioni future. I materiali termoelettrici sono in grado di convertire direttamente il calore in energia elettrica, un processo che potrebbe rivoluzionare il modo in cui sfruttiamo le fonti di calore, sia rinnovabili che di scarto. La loro applicazione potrebbe estendersi a vari settori, dall’industria automobilistica all’elettronica di consumo, contribuendo a una maggiore sostenibilità energetica.
Proprietà Uniche dei Materiali Termoelettrici
L’innovazione più recente si basa su una combinazione inedita di materiali, conferendo loro proprietà uniche. I ricercatori hanno evidenziato che un buon materiale termoelettrico deve possedere la capacità di condurre elettricità in modo efficiente da un lato, mentre dall’altro deve limitare il trasporto di calore. Questa apparente contraddizione si spiega con il fatto che i materiali che conducono bene l’elettricità tendono, di norma, a condurre anche il calore. Nella materia solida, il calore si trasferisce attraverso due meccanismi principali: i portatori di carica mobili e le vibrazioni degli atomi all’interno della rete cristallina. Nei materiali termoelettrici, l’obiettivo è principalmente quello di ridurre il trasferimento di calore causato dalle vibrazioni della rete, poiché queste ultime non contribuiscono alla conversione energetica. A tal proposito, Fabian Garmroudi, primo autore dello studio e dottorando presso la TU Wien, ha sottolineato l’importanza di questo approccio innovativo.
Applicazioni dei Materiali Termoelettrici
Questi materiali risultano particolarmente promettenti per l’alimentazione autonoma di microsensori e di altri piccoli componenti elettronici, dove l’efficienza energetica è cruciale. Per migliorare ulteriormente le prestazioni di questi materiali, è necessario affrontare la sfida di sopprimere il trasporto di calore attraverso le vibrazioni della rete, mentre si aumenta la mobilità degli elettroni. Questo obiettivo ha rappresentato un ostacolo significativo nella ricerca fino ad oggi. Le potenziali applicazioni includono:
- Dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute
- Sistemi di raccolta energetica per sensori ambientali
- Componenti per veicoli elettrici e ibridi
Risultati della Ricerca sui Materiali Ibridi
Lo comunicato stampa dimostra che l’integrazione di un insulator topologico archetipico, il Bi1-xSbx, ai confini dei grani consente di separare il trasporto di carica da quello di calore. Questo approccio ha portato a una riduzione della lunghezza di diffusione (L) e, sorprendentemente, a un incremento della potenza (W). Garmroudi, che ha ricevuto il Lions Award, ha avuto l’opportunità di sviluppare nuovi materiali ibridi presso il National Institute for Materials Science in Giappone, dove ha condotto ricerche che hanno portato a risultati eccezionali in termini di proprietà termoelettriche. Questi risultati potrebbero aprire la strada a nuove tecnologie energetiche più sostenibili.
Composizione e Struttura dei Materiali Termoelettrici
In particolare, i ricercatori hanno mescolato una polvere composta da ferro, vanadio, tantalio e alluminio (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) con una polvere di bismuto e antimonio (Bi0.9Sb0.1), successivamente pressata in un materiale compatto sotto condizioni di alta pressione e temperatura. Tuttavia, a causa delle differenze nelle proprietà chimiche e meccaniche dei due componenti, non si è verificato un mescolamento a livello atomico. Invece, il materiale BiSb tende a depositarsi preferenzialmente alle interfacce micrometriche tra i cristalli della lega FeVTaAl, come riportato in un comunicato stampa. Questa peculiarità strutturale è fondamentale per migliorare l’efficienza energetica dei materiali termoelettrici.
Efficienza e Futuro dei Materiali Termoelettrici
I ricercatori hanno osservato che le strutture reticolari dei due materiali, e di conseguenza le loro vibrazioni reticolari quantistiche, sono così dissimili che le vibrazioni termiche non possono essere trasferite facilmente da un cristallo all’altro. Grazie a questo decoupling mirato del trasporto di calore e carica, il team è riuscito ad aumentare l’efficienza del materiale di oltre il 100%. Questo progresso rappresenta un passo significativo verso l’obiettivo di sviluppare un materiale termoelettrico in grado di competere con i composti commerciali attualmente basati sul tellururo di bismuto, come ha affermato Garmroudi. Le prospettive future per questi materiali sono promettenti e potrebbero rivoluzionare il settore energetico globale.
