Studiind câteva dintre cele mai puternice supercalculatoare din lume, oameni de ştiinţă de la Laboratorul Naţional Lawrence Berkeley, au aratăt că anumite aliaje nepotrivite se adaptează perfect în viitoarele dispozitive termoelectrice de înaltă performanţă. Termoelectricitate deţine un potenţial enorm pentru producerea de energie verde, asta datorită capacităţii ei de a converti căldura în electricitate. Calculele efectuate pe "Franklin", un sistem de procesare masiv paralel Cray XT4, de  către Centru de Calcul Energetic Naţional de Cercetare Ştiinţifică (NERSC), a arătat că introducerea de impurităţi de oxigen într-o clasa unica de semiconductori cunoscuţi sub numele de aliaje nepotrivite (HMAS), poate în mod substanţial îmbunătăţi performanţelor termice ale acestor materiale, fără degradarea în mod obişnuit a conductibilităţi electrice.

"Putem prezice o serie de ieftiniri, abundente, a materialelor netoxice, în care structura banda poate fi reglată uşor pe scară largă pentru o eficienţă termoelectrică maximă", spune Junqiao Wu, care a condus această lucrare de cercetare, fizician la Divizia de Ştiinţe din cadrul Laboratorului Berkeley şi profesor la Departamentul UC de Stiinţa si Ingineria Materialelor, Berkeley. "Mai exact, am demonstrat că prin hibridizare aliajelor constituiente HMAS se poate spori puterea termică fără a reduce foarte mult conductivitatea electrică (sau conductibilitatea electrică specifică), ceea ce nu este cazul pentru materiale convenţionale termoelectrice", spune el.

Efectul Seebeck şi Energia Verde

În 1821, fizicianul de origine germano-estonă Thomas Johann Seebeck, a observat că diferenţa de temperatură între două capete ale unei bare de metal creează un curent electric, cu tensiunea direct proporţională cu diferenţa de temperatură. Acest fenomen a devenit cunoscut sub numele de efect termoelectric Seebeck. Efectul promite mari realizări pentru captarea şi convesia în energie electrică a unor mari cantităţi de energie termică, aceastea fiind acum pierdute în acţionarea turbinelor folosite la antrenarea generatoarelor electrice. Cu toate acestea, pentru ca această căldură pierdută să poată fi regenerată, eficienţa efectului termoelectric trebuie să fie îmbunătăţită semnificativ.

"Materialele termoelectrice bune ar trebui să aibă puteri termice şi conductivităţi electrice ridicate, dar şi conductivitaţi termice scăzute", spune Wu. "Îmbunătăţire performanţelor termice poate fi realizatăe prin reducerea conductibilităţi termice prin nanostructurare. Cu toate acestea, majorarea performanţelor prin creşterea conductibilităţi termice s-a dovedit a fi dificilă, pentru că o creştere a conductibilităţi termice conduce la o scădere a conductivităţi electrice".

Pentru a rezolva această enigmă, Wu si colegii sai au apelat la HMAS, o clasă nouă, neobişnuită, de materiale, a căror dezvoltare a fost condusă de un alt fizician de la Laboratoarele Berkeley, Wladyslaw Walukiewicz. HMAS sunt formate din aliaje care sunt extrem de nepotrivite din punct de vedere al electronegativităţi (o capacitatea a acestora de a atrage electroni). Înlocuirea parţială a anionilor cu electronii foarte electronegativi face posibilă fabricarea HMAS ale caror proprietati pot fi modificate în mod dramatic, cu doar o cantitate mică de dopaj. Anionii (ioni negativi) vor încărca negativ atomi iar ioni isoelectronici vor căpăta pe diferite elemente, configuraţii electronice identice.

În munca lor teoretică, Wu si colegii sai au descoperit ca acest tip de structură poate fi benefică pentru termoelectricitate. Folosind semiconductori din seleniură de zinc, s-a simulat introducerea a două concentraţii diluate de atomi de oxigen (3,125%, respectiv 6,25%) pentru a crea modelul HMAS. În ambele cazuri, impurităţile de oxigen s-au dovedit a induce vârfuri în densitatea electronică a statelor de mai sus. De asemenea, s-a demonstrat că nivelul de vârf a densităţii s-a produs din cauza atomilor de oxigen foarte electronegativi.

Wu si colegii săi, au constatat că, pentru fiecare dintre scenariile simulate, impuritatea indusă de vârfuri în densitatea electronică a condus la o creştere "puternică" a puterii termice şi a conductivităţii electrice, comparativ cu oxigen-seleniură de zinc. Creşteri s-au produs între factorii 30 şi 180. "Mai mult, acest efect este găsit a fi absent atunci când electronegativitatea impurităţii este identică cu gazda pe care le o înlocuieşte", spune Wu. "Aceste rezultate sugerează că electronegativitatea ridicată a aliajelor nepotrivite poate fi folosită în aplicaţii de înaltă performanţă termoelectrică."

Wu şi grupul său de cercetare lucrează acum pentru a sintetiza efectiv HMAS pentru testarea fizică în laborator. În plus, faţă de captarea energiei care este acum pierdută, Wu consideră că bazele termoelectricii pot fi de asemenea utilizate pentru răcirea în stare solidă a diferitelor materiale.  "Coolerele termoelectrice au avantaje faţă de tehnologia de refrigerare convenţională prin faptul că ele nu au părţi în mişcare, au nevoie de puţină întreţinere şi lucrează la o scară mult mai mică a teritoriului", spune Wu.

Într-un viitor, am putea alimenta ventilatorul procesorului din energia termica disipată de acesta, transformată în electricitate, sau am putea folosi energia termica a turbinelor din centralele electrice pentru a alimenta alte servici interne, crescând per ansamblu randamentul conversiei.

La acestă lucrare ştiinţifică au mai colaborat: Joo-Hyoung Lee şi Jeffrey Grossman, de la Institutul de Tehnologie Massachusetts. Echipa a publicat un document referitor la aceste rezultate, în Physical Review Letters iar proiectul a fost suportat de Direcţia de Cercetare a Laboratorului Berkeley şi de un Program de Dezvoltare.

Sursa: ScienceDaily