Il calore è ovunque intorno a noi. Nei motori delle nostre auto, nei processori dei nostri computer, nelle tubature industriali. E la maggior parte di esso viene semplicemente sprecata, dispersa nell’ambiente. La termoelettrica promette da tempo di catturare questa energia perduta, ma è sempre stata frenata da un dilemma fondamentale: come condurre elettricità senza condurre anche calore?
Ora, un team guidato da Fabian Garmroudi del Laboratorio Nazionale di Los Alamos ha trovato una risposta sorprendentemente efficace. Combinando due materiali con strutture reticolari incompatibili ma proprietà elettroniche compatibili, il team ha creato un ibrido che sfida le convenzioni della fisica dei materiali e raddoppia l’efficienza termoelettrica. Come? Diamo un’occhiata insieme.
La sfida delle proprietà contrastanti
I materiali termoelettrici efficaci (semiconduttori a stato solido che trasformano il calore in energia elettrica) devono condurre l’elettricità in modo efficiente riducendo al minimo il trasferimento di calore. Questo, come detto, presenta una sfida particolare: i materiali che conducono bene l’elettricità tipicamente conducono bene anche il calore.
Come spiega Garmroudi: “Nella materia solida, il calore viene trasferito sia dai portatori di carica mobili sia dalle vibrazioni degli atomi nel reticolo cristallino”. È un problema che ha frustrato i ricercatori per decenni, limitando le applicazioni pratiche di questa promettente tecnologia.
Nei materiali termoelettrici, cerchiamo principalmente di sopprimere il trasporto di calore attraverso le vibrazioni del reticolo, poiché non contribuiscono alla conversione energetica.
Questa intuizione ha guidato il team verso un approccio completamente nuovo, appena annunciato in un comunicato stampa. Invece di modificare un singolo materiale, perché non combinarne due con caratteristiche complementari?
L’intuizione termoelettrica che cambia le regole del gioco
L’innovazione è nata durante il soggiorno di ricerca di Garmroudi a Tsukuba, in Giappone, supportato dal Lions Award e realizzato presso l’Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali come parte del suo lavoro presso l’Università Tecnica di Vienna.
Sotto intenso calore e pressione, ha fuso due polveri distinte: una realizzata con una lega a base di ferro con vanadio, tantalio e alluminio (Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅), e l’altra da una miscela di bismuto-antimonio (Bi₀.₉Sb₀.₁). Il risultato? Un materiale ibrido compatto con un potenziale termoelettrico davvero promettente: ancora una volta le soluzioni più eleganti arrivano da combinazioni inaspettate.
Quello che rende l’approccio particolarmente brillante è che i due materiali non si fondono a livello atomico. A causa delle loro differenti caratteristiche chimiche e meccaniche, il componente bismuto-antimonio si accumula selettivamente nelle interfacce di dimensioni micrometriche tra i cristalli della lega FeVTaAl. In parole semplici? Immaginate di avere due tipi di mattoncini LEGO completamente diversi tra loro, che non possono incastrarsi l’uno con l’altro. Quando provate a unirli sotto pressione e calore, invece di mescolarsi e fondersi completamente, rimangono separati. Il bismuto-antimonio (un tipo di mattoncino) non si mescola con la lega di ferro (l’altro tipo di mattoncino), ma si posiziona precisamente negli spazi tra i cristalli della lega di ferro, creando delle “zone di confine” microscopiche.
È proprio in queste zone di confine che avviene la magia: gli elettroni possono passare facilmente da un materiale all’altro (buona conduzione elettrica), mentre le vibrazioni termiche vengono bloccate (scarsa conduzione termica). È come avere un filtro che lascia passare l’elettricità ma blocca il calore: esattamente ciò che serve per una efficienza termoelettrica da record.
Superare lo standard degli anni ’50
“Questa scoperta ci avvicina molto al nostro obiettivo di sviluppare un materiale termoelettrico che possa competere con i composti disponibili in commercio basati sul tellururo di bismuto”, conclude Garmroudi. “Il disaccoppiamento mirato del trasporto di calore e di carica ha permesso al team di aumentare l’efficienza del materiale di oltre il 100 percento.”
Il tellururo di bismuto, introdotto negli anni ’50, è ancora considerato il punto di riferimento per i materiali termoelettrici. Tuttavia, i nuovi materiali ibridi offrono un vantaggio importante: sono significativamente più stabili e più convenienti.
Questa svolta potrebbe trasformare il modo in cui alimentiamo l’Internet delle Cose, in particolare microsensori e altri componenti elettronici in miniatura. Immaginate un futuro dove il calore di scarto degli impianti industriali, dei veicoli o persino del corpo umano possa essere raccolto e trasformato in energia elettrica utilizzabile.
Ora è una possibilità concreta grazie a questa ricerca pionieristica che sfida i limiti di ciò che pensavamo fosse possibile nella fisica dei materiali.
