Nuovi materiali ibridi come efficienti termoelettrici
Un team internazionale guidato da Fabian Garmroudi è riuscito a produrre nuovi ed efficienti materiali termoelettrici che potrebbero competere con i materiali convenzionali, costosi e instabili.
I materiali termoelettrici consentono la conversione diretta del calore in energia elettrica. Questo li rende particolarmente interessanti per l'emergente "Internet delle cose", ad esempio per l'alimentazione autonoma di microsensori e altri minuscoli componenti elettronici. Per rendere i materiali ancora più efficienti, è necessario contenere le vibrazioni del reticolo e aumentare la mobilità degli elettroni, un ostacolo che finora ha spesso frenato la ricerca.
Un team internazionale guidato da Fabian Garmroudi è ora riuscito a utilizzare un nuovo metodo per sviluppare materiali ibridi che soddisfano entrambi gli obiettivi: riduzione della coerenza delle vibrazioni reticolari e aumento della mobilità dei portatori di carica. La chiave: una miscela di due materiali con proprietà meccaniche fondamentalmente diverse ma elettroniche simili.
Fabian Garmroudi
© David Visnjic
Nuove proprietà grazie a una nuova combinazione di materiali
I buoni materiali termoelettrici sono quelli che conducono bene l'elettricità da un lato, ma trasportano il calore il meno possibile dall'altro - un'apparente contraddizione, dato che i buoni conduttori elettrici sono generalmente anche buoni conduttori di calore.
"Nella materia solida, il calore viene trasferito sia da portatori di carica elettricamente conduttivi sia dalle vibrazioni degli atomi nel reticolo cristallino. Nei materiali termoelettrici, cerchiamo principalmente di sopprimere il trasporto di calore attraverso le vibrazioni del reticolo, in quanto non contribuiscono alla conversione dell'energia", spiega il primo autore Fabian Garmroudi, che ha conseguito il dottorato alla TU Wien e ora lavora come Director's Postdoctoral Fellow al Los Alamos National Laboratory (USA). Negli ultimi decenni, la ricerca sui materiali ha sviluppato metodi sofisticati per progettare materiali termoelettrici con una conducibilità termica estremamente bassa.
"Con il sostegno del Premio Lions, ho potuto sviluppare nuovi materiali ibridi presso l'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali in Giappone che presentano eccezionali proprietà termoelettriche", ricorda Garmroudi del suo soggiorno di ricerca a Tsukuba (Giappone), che ha completato nell'ambito del suo lavoro alla TU Wien. In particolare, la polvere di una lega di ferro, vanadio, tantalio e alluminio (Fe2V0,95Ta0,1Al0,95) è stata mescolata con una polvere di bismuto e antimonio (Bi0,9Sb0,1) e pressata in un materiale compatto ad alta pressione e temperatura. Tuttavia, a causa delle loro diverse proprietà chimiche e meccaniche, i due componenti non si mescolano a livello atomico. Invece, il materiale BiSb si deposita preferenzialmente nelle interfacce di dimensioni micrometriche tra i cristalli della lega FeVTaAl.
Il trasporto di calore e di carica è disaccoppiato
Le strutture reticolari dei due materiali, e quindi anche le loro vibrazioni reticolari consentite dalla meccanica quantistica, sono così diverse che le vibrazioni termiche non possono essere semplicemente trasferite da un cristallo all'altro. Il trasferimento di calore è quindi fortemente inibito alle interfacce. Allo stesso tempo, il movimento dei portatori di carica non è ostacolato dalla struttura elettronica simile ed è addirittura notevolmente accelerato lungo le interfacce. Il motivo: il materiale BiSb forma una fase cosiddetta di isolante topologico - una classe speciale di materiali quantistici che sono isolanti all'interno ma consentono un trasporto di carica quasi privo di perdite sulla superficie.
Questo disaccoppiamento mirato del trasporto di calore e carica ha permesso al team di aumentare l'efficienza del materiale di oltre il 100 %. "Questo ci porta a un grande passo avanti verso il nostro obiettivo di sviluppare un materiale termoelettrico che possa competere con i composti disponibili in commercio a base di tellururo di bismuto", afferma Garmroudi. Quest'ultimo è stato sviluppato negli anni '50 e ancora oggi è considerato il gold standard della termoelettrica. Il vantaggio principale dei nuovi materiali ibridi è che sono molto più stabili e più economici.
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Pubblicazione originale
Fabian Garmroudi, Illia Serhiienko, Michael Parzer, Sanyukta Ghosh, Pawel Ziolkowski, Gregor Oppitz, Hieu Duy Nguyen, Cédric Bourgès, Yuya Hattori, Alexander Riss, Sebastian Steyrer, Gerda Rogl, Peter Rogl, Erhard Schafler, Naoyuki Kawamoto, Eckhard Müller, Ernst Bauer, Johannes de Boor, Takao Mori; "Decoupled charge and heat transport in Fe2VAl composite thermoelectrics with topological-insulating grain boundary networks"; Nature Communications, Volume 16, 2025-3-26
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