De l'électricité à partir de la chaleur grâce à un "embouteillage d'électrons"
Une nouvelle astuce améliore considérablement les performances des thermoélectriques
L'électricité peut être facilement transformée en chaleur - toutes les cuisinières électriques le font. Mais l'inverse est-il également possible ? La chaleur peut-elle être convertie en électricité - directement, sans turbine à vapeur ou autres détours similaires ? Le physicien Thomas Seebeck a répondu à cette question par un "oui" catégorique il y a plus de 200 ans. Il a pu démontrer que certains matériaux, appelés "thermoélectriques", produisent de l'électricité lorsqu'ils sont chauffés d'un côté et refroidis de l'autre. Une différence de température crée de l'énergie électrique, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des générateurs mécaniques. Ce phénomène est désormais connu sous le nom d'"effet Seebeck".
Sur un réseau kagomé, les porteurs de charge sont immobilisés en raison d'effets mécaniques quantiques, ce qui a été utilisé par l'équipe d'Andrej Pustogow à l'université technique de Vienne pour optimiser les performances thermoélectriques.
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Ces générateurs thermoélectriques sont très pratiques lorsque de petites quantités d'énergie électrique sont nécessaires. Ils sont par exemple utilisés dans les missions spatiales. Malheureusement, les matériaux thermoélectriques connus à ce jour ne sont pas assez efficaces pour remplacer les centrales électriques conventionnelles à grande échelle. Le groupe de travail dirigé par le professeur Andrej Pustogow de l'Institut de physique des solides de l'Université technique de Vienne étudie donc de nouveaux matériaux aux propriétés thermoélectriques améliorées. Aujourd'hui, grâce à une nouvelle astuce, ils sont parvenus à améliorer considérablement les performances thermoélectriques.
Plus de chaleur - plus de mobilité
"Malgré un siècle de recherche intensive sur les matériaux semi-conducteurs, il n'y a pas eu, depuis la découverte des composés de tellurure de bismuth dans les années 1950, d'avancées significatives qui auraient permis de généraliser l'utilisation de cette technologie dans la vie de tous les jours", explique Andrej Pustogow. "Nous venons de faire un grand pas en avant, avec des matériaux métalliques qui, jusqu'à présent, n'avaient pas fait l'objet d'une attention particulière dans ce domaine.
L'effet Seebeck repose sur le fait que la mobilité des porteurs de charge positifs et négatifs dépend du matériau, d'une part, mais aussi de la température, d'autre part. "Supposons que nous ayons un semi-conducteur dans lequel seules les charges électriques négatives peuvent se déplacer", explique Andrej Pustogow. "Au début, elles sont réparties uniformément dans le matériau, qui est électriquement neutre partout. Toutefois, si une face est chauffée et l'autre refroidie, les porteurs de charges négatives se déplacent plus rapidement et plus loin sur la face chaude, de sorte qu'il y aura moins de charges négatives sur cette face que sur la face froide." Cela crée une différence de tension à partir de laquelle il est possible d'obtenir de l'énergie électrique.
Dans la plupart des matériaux métalliques, les porteurs de charge positifs et négatifs peuvent se déplacer. Cela signifie que les deux types de porteurs de charge mobiles ont tendance à se trouver davantage du côté froid que du côté chaud. "Le plus et le moins s'équilibrent, de sorte qu'aucune tension n'est générée de cette manière", explique Andrej Pustogow. "C'est la raison pour laquelle les matériaux métalliques n'ont guère été pris en compte dans le cadre de l'effet thermoélectrique. On pensait qu'ils n'étaient pas adaptés à cet effet. Or, nous venons de démontrer que les métaux peuvent être d'excellents thermoélectriques."
Des vitesses différentes - un embouteillage de porteurs de charge
L'astuce cruciale consiste à s'assurer que les porteurs de charge positifs et négatifs se déplacent à des vitesses différentes. "On peut imaginer le mouvement des charges comme s'il s'agissait d'une autoroute", explique M. Pustogow. Les charges positives circulent sur la voie de gauche et les charges négatives sur la voie de droite. En créant un embouteillage sur la voie de gauche, les charges positives sont bloquées, tandis que les charges négatives circulent librement sur la voie de droite." De cette manière, il est possible d'obtenir d'excellents matériaux thermoélectriques, même s'ils possèdent des porteurs de charges positives et négatives.
L'"embouteillage" est créé en incorporant des porteurs de charge immobiles supplémentaires dans le matériau. L'équipe a pu démontrer que cela fonctionne avec certains alliages nickel-or, ouvre une URL externe dans une nouvelle fenêtre dès 2023. "Nous avons maintenant trouvé une alternative nettement moins chère sans or dans un composé de nickel et d'indium", explique Fabian Garmroudi, premier auteur de l'étude.
Une géométrie qui rappelle la vannerie japonaise
Dans leur recherche de nouvelles alternatives, et surtout moins chères, les chercheurs ont découvert les métaux dits "kagomé". Le terme "kagome" est d'origine japonaise et fait référence aux paniers en bambou tressés avec un motif spécial d'hexagones et de triangles qui se touchent sur les bords.
"Il est surprenant de constater qu'il existe dans la nature des matériaux dans lesquels les atomes s'arrangent exactement de la même manière. C'est ce que nous appelons la "frustration géométrique". Par exemple, il s'avère que les charges peuvent devenir extrêmement immobiles et sont piégées dans l'étoile de Kagome", explique M. Garmroudi.
Des perspectives dorées - même sans or
Les chercheurs ont maintenant pu montrer que cette géométrie de Kagome peut conduire à un effet Seebeck extrêmement important - considérablement plus important que dans les alliages nickel-or précédemment utilisés. Alors que les charges négatives circulent sans entrave dans un métal Kagome, l'accumulation de charges positives à température ambiante permet d'obtenir un rendement très élevé : les nouveaux thermoélectriques pourraient même dépasser les thermoélectriques à base de tellurure de bismuth disponibles dans le commerce. "Avec ces métaux Kagome, nous avons trouvé de l'or et nous améliorons maintenant systématiquement leurs propriétés thermoélectriques grâce à notre expertise en matière de réglage de la frustration géométrique", déclare M. Pustogow, dont l'équipe à l'Université technique de Vienne étudie les matériaux frustrés depuis des années, ouvre une URL externe dans une nouvelle fenêtre.
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Publication originale
Fabian Garmroudi, Jennifer Coulter, Illia Serhiienko, Simone Di Cataldo, Michael Parzer, Alexander Riss, Matthias Grasser, Simon Stockinger, Sergii Khmelevskyi, Kacper Pryga, Bartlomiej Wiendlocha, Karsten Held, Takao Mori, Ernst Bauer, Antoine Georges, Andrej Pustogow; "Topological Flat-Band-Driven Metallic Thermoelectricity"; Physical Review X, Volume 15, 2025-5-14
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