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Le MIT développe une nouvelle façon de multiplier par trois l'électricité thermique


Les ingénieurs du MIT ont simplement simplifié la transformation de la chaleur en électricité. L'équipe a repris les dispositifs thermoélectriques traditionnels et les a réinventés en utilisant des matériaux «topologiques».

Un isolant topologique sont des matériaux qui isolent l'intérieur mais supportent le mouvement des électrons sur la surface d'un objet. Pour le post-doctorant Te-Huan Liu du département de génie mécanique du MIT, la physique unique des matériaux topologiques est exactement ce que son équipe a utilisé pour faire cette découverte.

"Nous avons découvert que nous pouvons repousser les limites de ce matériau nanostructuré d'une manière qui fait des matériaux topologiques un bon matériau thermoélectrique, plus que les semi-conducteurs conventionnels comme le silicium", a-t-il déclaré dans une interview au MIT. "En fin de compte, cela pourrait être un moyen d'énergie propre pour nous aider à utiliser une source de chaleur pour produire de l'électricité, ce qui réduira notre rejet de dioxyde de carbone."

Les dispositifs thermoélectriques sont actuellement utilisés pour alimenter des applications à relativement faible puissance. Ils fonctionnent pour les capteurs d'oléoducs, sur presque toutes les sondes spatiales ces dernières années, dans les générateurs thermoélectriques automobiles pour augmenter l'efficacité du carburant, et même sur certains mini-frigo. Ils peuvent même être trouvés dans les centrales électriques afin de convertir l'excès de chaleur résiduelle en énergie électrique supplémentaire. Mais les conclusions de Liu et de l'équipe pourraient augmenter l'énergie produite par thermal trois fois plus que ce qui est traditionnellement pensé possible.

Mais comment ça fonctionne? Lorsqu'une extrémité des matériaux thermoélectriques traditionnels est chauffée et l'autre refroidie, les électrons circulent de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide et génèrent un courant électrique. Plus cette différence de température est grande, plus le courant est élevé. La quantité d'énergie générée dépend également des propriétés du matériau lui-même.

Cependant, des recherches antérieures ont montré que les matériaux topologiques peuvent en fait être nanostructurés et modelés pour améliorer leur capacité à augmenter finalement le courant. Liu et son équipe voulaient voir exactement quelle part de ce coup de pouce provenait du matériel topologique lui-même et combien provenait de la façon dont il pouvait être restructuré.

Afin d'obtenir ces réponses, Liu a étudié les performances du tellurure d'étain - l'un des meilleurs matériaux topologiques thermoélectriques. Le semi-conducteur est souvent allié avec du plomb qui est utilisé dans les détecteurs infrarouges.

Afin de mesurer la nanostructure par rapport aux performances naturelles, l'équipe a mesuré la distance moyenne qu'un électron avec une énergie donnée parcourrait dans un matériau avant d'être diffusé par des défauts dans ledit matériau. C'est un processus couramment utilisé appelé «chemin libre moyen».

L'équipe a finalement découvert que plus la taille des grains d'un matériau est petite, plus les électrons d'énergie plus élevée conduisent plus de courant électrique car ils sont moins susceptibles d'être dispersés. Ainsi, il y a une plus grande marge d'amélioration de la tension. Le meilleur scénario que les chercheurs ont trouvé? Réduire la taille des grains du tellurure d'étain à seulement 10 nanomètres leur a donné trois fois la quantité d'électricité qui aurait été produite avec un grain plus gros.

Selon la recherche:

"Les matériaux nanostructurés ressemblent à un patchwork de minuscules cristaux, chacun avec des bordures, appelées joints de grains, qui séparent un cristal d'un autre. Lorsque les électrons rencontrent ces limites, ils ont tendance à se disperser de diverses manières. Les électrons avec de longs trajets libres moyens se dispersent fortement, comme des balles ricochant sur un mur, tandis que les électrons avec des chemins libres moyens plus courts sont beaucoup moins affectés. "

«Dans nos simulations, nous avons constaté que nous pouvons réduire la taille des grains d’un matériau topologique beaucoup plus qu’on ne le pensait auparavant, et sur la base de ce concept, nous pouvons augmenter son efficacité», a déclaré Liu.

En fin de compte, Liu et l'équipe ont déclaré que cette découverte pourrait aider les ingénieurs à concevoir des appareils plus intelligents qui utilisent l'énergie plus efficacement et ne gaspillent rien - pas même la production de chaleur.


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