Un nuovo tipo di materiale genera corrente elettrica in modo molto efficiente dalle differenze di temperatura. Questo permette a sensori e piccoli processori di rifornirsi di energia senza fili.
I materiali termoelettrici possono convertire il calore in energia elettrica. Ciò è dovuto al cosiddetto effetto Seebeck: se c’è una differenza di temperatura tra le due estremità di un tale materiale, si può generare una tensione elettrica e la corrente può iniziare a scorrere. La quantità di energia elettrica che può essere generata ad una data differenza di temperatura è misurata dal cosiddetto valore ZT: Più alto è il valore ZT di un materiale, migliori sono le sue proprietà termoelettriche.
I migliori termoelettrici finora sono stati misurati con valori ZT di circa 2,5-2,8. Gli scienziati della TU Wien (Vienna) sono riusciti a sviluppare un materiale completamente nuovo con un valore ZT di 5-6. Si tratta di un sottile strato di ferro, vanadio, tungsteno e alluminio applicato a un cristallo di silicio.
Il nuovo materiale è così efficace che potrebbe essere usato per fornire energia a sensori o anche a piccoli processori di computer. Invece di collegare i piccoli dispositivi elettrici ai cavi, essi potrebbero generare la propria elettricità dalle differenze di temperatura. Il nuovo materiale è stato presentato sulla rivista Nature.
Elettricità e temperatura
“Un buon materiale termoelettrico deve mostrare un forte effetto Seebeck, e deve soddisfare due importanti requisiti che sono difficili da conciliare”, dice il Prof. Ernst Bauer dell’Istituto di fisica dello stato solido alla TU Wien. “Da un lato, deve condurre l’elettricità il meglio possibile; dall’altro, deve trasportare il calore il meno possibile. Questa è una sfida perché la conduttività elettrica e la conduttività termica sono di solito strettamente correlate.”
Al Laboratorio Christian Doppler per la Termoelettricità, che Ernst Bauer ha fondato alla TU Wien nel 2013, negli ultimi anni sono stati studiati diversi materiali termoelettrici per diverse applicazioni. Questa ricerca ha ora portato alla scoperta di un materiale particolarmente notevole: una combinazione di ferro, vanadio, tungsteno e alluminio.
“Gli atomi di questo materiale sono solitamente disposti in modo strettamente regolare in un cosiddetto reticolo cubico a facce centrate”, dice Ernst Bauer. “La distanza tra due atomi di ferro è sempre la stessa, e lo stesso vale per gli altri tipi di atomi. L’intero cristallo è quindi completamente regolare.”
Tuttavia, quando un sottile strato del materiale viene applicato al silicio, accade qualcosa di sorprendente: la struttura cambia radicalmente. Anche se gli atomi formano ancora un modello cubico, sono ora disposti in una struttura spazio-centrica, e la distribuzione dei diversi tipi di atomi diventa completamente casuale. “Due atomi di ferro possono trovarsi uno accanto all’altro, i posti accanto a loro possono essere occupati da vanadio o alluminio, e non c’è più nessuna regola che detta dove si troverà il prossimo atomo di ferro nel cristallo”, spiega Bauer.
Questa miscela di regolarità e irregolarità della disposizione atomica cambia anche la struttura elettronica, che determina come gli elettroni si muovono nel solido. “La carica elettrica si muove attraverso il materiale in un modo speciale, in modo da essere protetta dai processi di dispersione. Le porzioni di carica che viaggiano attraverso il materiale sono chiamate fermioni di Weyl”, dice Ernst Bauer. In questo modo, si ottiene una resistenza elettrica molto bassa.
Le vibrazioni del reticolo, invece, che trasportano il calore da luoghi di alta temperatura a luoghi di bassa temperatura, sono inibite dalle irregolarità nella struttura del cristallo. Pertanto, la conduttività termica diminuisce. Questo è importante se si vuole generare energia elettrica in modo permanente da una differenza di temperatura, perché se le differenze di temperatura potessero equilibrarsi molto rapidamente e l’intero materiale avesse presto la stessa temperatura ovunque, l’effetto termoelettrico si fermerebbe.
Elettricità per l’Internet delle cose
“Naturalmente, uno strato così sottile non può generare una quantità particolarmente grande di energia, ma ha il vantaggio di essere estremamente compatto e adattabile”, dice Ernst Bauer. “Vogliamo usarlo per fornire energia a sensori e piccole applicazioni elettroniche”. La domanda di tali generatori su piccola scala sta crescendo rapidamente: Nell'”Internet delle cose”, sempre più dispositivi sono collegati online in modo da coordinare automaticamente il loro comportamento tra loro. Questo è particolarmente promettente per i futuri impianti di produzione, dove una macchina deve reagire dinamicamente ad un’altra.
“Se hai bisogno di un gran numero di sensori in una fabbrica, non puoi collegarli tutti insieme. È molto più intelligente che i sensori siano in grado di generare la propria energia utilizzando un piccolo dispositivo termoelettrico”, dice Bauer.
Maggiori informazioni: B. Hinterleitner et al. Prestazioni termoelettriche di una lega Heusler a film sottile metastabile, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1751-9
Informazioni sulla rivista: Nature
Fornito dalla Vienna University of Technology