Elettricità dal calore attraverso un "ingorgo di elettroni"
Un nuovo trucco migliora significativamente le prestazioni della termoelettrica
L'elettricità può essere facilmente convertita in calore: ogni fornello elettrico lo fa. Ma è possibile anche il contrario? È possibile convertire il calore in elettricità, direttamente, senza una turbina a vapore o simili deviazioni? Il fisico Thomas Seebeck ha risposto a questa domanda con un chiaro "sì" oltre 200 anni fa. Egli fu in grado di dimostrare che alcuni materiali, noti come "termoelettrici", generano elettricità quando vengono riscaldati da un lato e raffreddati dall'altro. Una differenza di temperatura crea energia elettrica, senza bisogno di generatori meccanici. Questo fenomeno è oggi noto come "effetto Seebeck".
Su un reticolo kagome i portatori di carica si immobilizzano grazie agli effetti della meccanica quantistica, che sono stati utilizzati dal team di Andrej Pustogow della TU Wien per ottimizzare le prestazioni termoelettriche.
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Questi generatori termoelettrici sono molto pratici quando sono necessarie piccole quantità di energia elettrica. Sono utilizzati, ad esempio, nelle missioni spaziali. Purtroppo, però, i materiali termoelettrici finora conosciuti non sono abbastanza efficienti per sostituire le centrali elettriche convenzionali su larga scala. Il gruppo di lavoro guidato dal Prof. Andrej Pustogow dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien sta quindi studiando nuovi materiali con migliori proprietà termoelettriche. Ora, utilizzando un nuovo trucco, sono riusciti a migliorare significativamente le prestazioni della termoelettrica.
Più calore - più mobilità
"Nonostante un secolo di intensa ricerca sui materiali semiconduttori, dalla scoperta dei composti di tellururo di bismuto negli anni '50 non ci sono stati progressi significativi che abbiano portato a un uso diffuso e quotidiano della tecnologia", spiega Andrej Pustogow. "Ora abbiamo fatto un importante passo avanti, con materiali metallici che finora non sono stati al centro dell'attenzione in questo settore".
L'effetto Seebeck si basa sul fatto che la mobilità dei portatori di carica positivi e negativi dipende da un lato dal materiale, dall'altro dalla temperatura. "Supponiamo di avere un semiconduttore in cui solo le cariche elettriche negative possono muoversi", spiega Andrej Pustogow. "All'inizio sono distribuite uniformemente in tutto il materiale, che è elettricamente neutro ovunque. Tuttavia, se un lato viene riscaldato e l'altro raffreddato, i portatori di carica negativa si muovono più velocemente e più a lungo sul lato caldo, quindi ci sarà meno carica negativa lì che sul lato freddo". Questo crea una differenza di tensione da cui si può ottenere energia elettrica.
Nella maggior parte dei materiali metallici, sia i portatori di carica positivi che quelli negativi possono muoversi. Ciò significa che entrambi i tipi di portatori di carica mobili tendono a trovarsi più sul lato freddo che su quello caldo. "Il più e il meno si bilanciano a vicenda, quindi in questo modo non si genera tensione", spiega Andrej Pustogow. "Per questo motivo i materiali metallici sono stati poco considerati in relazione all'effetto termoelettrico. Si pensava che non fossero adatti a questo scopo. Tuttavia, ora siamo riusciti a dimostrare che i metalli possono essere eccellenti termoelettrici".
Velocità diverse - ingorgo di portatori di carica
Il trucco cruciale consiste nel fare in modo che i portatori di carica positivi e negativi si muovano a velocità diverse. "Si può immaginare il movimento delle cariche come se fossero su un'autostrada", spiega Pustogow. Le cariche positive scorrono sulla corsia di sinistra e quelle negative sulla corsia di destra. Creando un ingorgo sulla corsia di sinistra, le cariche positive rimangono bloccate, mentre quelle negative scorrono senza ostacoli sulla corsia di destra". In questo modo si possono ottenere eccellenti termoelettrici, anche se hanno portatori di carica sia positivi che negativi.
L'"ingorgo" si crea incorporando nel materiale ulteriori portatori di carica immobili. Il team è riuscito a dimostrare che questo funziona con alcune leghe di nichel e oro, apre un URL esterno in una nuova finestra, già nel 2023. "Ora abbiamo trovato un'alternativa significativamente più economica senza oro in un composto di nichel e indio", spiega Fabian Garmroudi, primo autore dello studio.
Una geometria che ricorda la tessitura dei cesti giapponesi
Nella loro ricerca di nuove alternative - e soprattutto più economiche - i ricercatori si sono imbattuti nei cosiddetti metalli kagome. Il termine "kagome" deriva originariamente dal giapponese e si riferisce ai cesti di bambù intrecciati con un particolare disegno di esagoni e triangoli che si toccano ai bordi.
"Sorprendentemente, in natura esistono materiali in cui gli atomi si dispongono esattamente secondo questo schema. Lo chiamiamo 'frustrazione geometrica'. Ad esempio, è emerso che le cariche possono diventare estremamente immobili e sono intrappolate nella stella di Kagome", spiega Garmroudi.
Prospettive d'oro, anche senza oro
I ricercatori sono ora riusciti a dimostrare che questa geometria Kagome può portare a un effetto Seebeck estremamente ampio, notevolmente più grande di quello delle leghe nichel-oro precedentemente utilizzate. Mentre le cariche negative scorrono senza ostacoli in un metallo Kagome, l'accumulo di cariche positive a temperatura ambiente consente un'efficienza molto elevata: le nuove termoelettriche potrebbero addirittura superare le termoelettriche al tellururo di bismuto disponibili in commercio. "Con questi metalli Kagome abbiamo trovato l'oro e ora stiamo migliorando sistematicamente le loro proprietà termoelettriche grazie alla nostra esperienza nella regolazione della frustrazione geometrica", afferma Pustogow, il cui team alla TU Wien studia da anni i materiali frustrati, apre un URL esterno in una nuova finestra.
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Pubblicazione 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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