Les scientifiques des matériaux de l'Université Duke ont découvert un mécanisme atomique qui rend certains matériaux thermoélectriques incroyablement efficaces à proximité des transitions de phase à haute température. Les informations aideront à combler les lacunes critiques des connaissances dans la modélisation informatique de ces matériaux, permettant potentiellement aux chercheurs de découvrir de nouvelles et meilleures choices pour les systems qui reposent sur la transformation de la chaleur en électricité.




Les résultats apparaissent en ligne le 4 septembre dans la revue Character Communications.

Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité lorsque les électrons migrent du côté chaud du matériau vers le côté froid. Parce qu'il est nécessaire de fournir une différence de température entre ses deux côtés, les chercheurs souhaitent essayer d'utiliser ces matériaux pour générer de l'électricité à partir de la chaleur du tuyau d'échappement d'une voiture ou récupérer l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les centrales électriques.




Au cours des deux dernières années, de nouveaux data ont été établis pour l'efficacité thermoélectrique avec un nouveau matériau appelé séléniure d'étain et son composé sœur, le sulfure d'étain. La edition sulfure n'est pas encore aussi bonne thermoélectrique, mais elle est encore optimisée car elle est moins chère à produire et additionally écologique.

Alors que les scientifiques savent que ces deux composés sont d'excellents matériaux thermoélectriques, ils ne savent pas exactement pourquoi. Dans la nouvelle étude, Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke, et deux de ses étudiants diplômés, Tyson Lanigan-Atkins et Shan Yang, ont tenté de combler une partie de ce manque de connaissances.

« Nous voulions essayer de comprendre pourquoi ces matériaux ont une conductivité thermique si faible, ce qui contribue à activer les fortes propriétés thermoélectriques pour lesquelles ils sont connus », a déclaré Delaire. « En utilisant une puissante combinaison de mesures de diffusion des neutrons et de simulations informatiques, nous avons découvert que cela était lié aux vibrations atomiques du matériau à haute température, ce que personne n'avait vu auparavant. »

Une faible conductivité thermique est un ingrédient nécessaire de tout bon matériau thermoélectrique. Parce que la production d'électricité nécessite un différentiel de chaleur entre ses deux côtés, il est logique que les matériaux qui empêchent la chaleur de se répandre à travers eux fonctionnent bien.

Pour avoir une vue d'ensemble des vibrations atomiques du sulfure d'étain en motion, Delaire et Lanigan-Atkins ont prélevé des échantillons dans le réacteur isotopique à haut flux du Oak Ridge Countrywide Laboratory. En ricochant les neutrons des atomes du sulfure d'étain et en détectant où ils se retrouvent après, les chercheurs ont pu déterminer où se trouvaient les atomes et remark ils vibraient collectivement dans le réseau du cristal.

Les installations de l'ORNL étaient particulièrement bien adaptées à cette tâche. Parce que les vibrations atomiques du sulfure d'étain sont relativement lentes, les chercheurs ont besoin de neutrons « froids » de basse énergie qui sont suffisamment délicats pour les voir. Et ORNL possède certains des meilleurs devices à neutrons froids au monde.

« Nous avons constaté que le sulfure d'étain a effectivement certains modes de vibration qui sont très » disquette « , a déclaré Delaire. « Et que ses propriétés sont liées à l'instabilité inhérente à son réseau cristallin. »

À des températures as well as basses, le sulfure d'étain est un matériau en couches avec des grilles déformées d'étain et de sulfure se trouvant au-dessus d'un autre, ondulé comme un accordéon. Mais à des températures proches de son stage de transition de section de 980 degrés Fahrenheit – où les générateurs thermoélectriques fonctionnent souvent – cet environnement déformé begin à se décomposer. Les deux couches, comme par magie, redeviennent non déformées et plus symétriques, c'est là que la « disquette » entre en jeu.

Parce que le matériau oscille entre les deux arrangements structurels à haute température, ses atomes ne vibrent as well as ensemble comme une corde de guitare bien accordée et deviennent à la location amortis de manière harmonique. Pour mieux comprendre cela, pensez à une voiture avec de terribles chocs comme ayant une vibration harmonique – elle continuera à rebondir longtemps après avoir franchi la moindre bosse. Mais des chocs appropriés amortiront cette vibration, la rendant anharmonique et l’empêchant d'osciller pendant une longue période.

« Les ondes de chaleur voyagent à travers les vibrations atomiques dans un matériau », a déclaré Delaire. « Ainsi, lorsque les vibrations atomiques du sulfure d'étain deviennent disquettes, elles ne transmettent pas les vibrations très rapidement et elles ne vibrent pas non moreover très longtemps. C'est la cause fondamentale de sa capacité à empêcher la chaleur de circuler en son sein. »

Avec ces résultats en key, Delaire et Yang ont alors cherché à les confirmer et à les comprendre par le calcul. En utilisant des supercalculateurs du Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory, Yang a pu reproduire les mêmes effets anharmoniques à des températures élevées. En in addition de confirmer ce qu'ils ont vu dans les expériences, Delaire affirme que ces modèles mis à jour permettront aux chercheurs de mieux rechercher de nouveaux matériaux thermoélectriques à utiliser dans les systems de demain.

« Les chercheurs dans le domaine n'ont pas tenu compte des fortes dépendances de la température sur les vitesses de propagation de la chaleur, et cette modélisation montre à quel level cette variable peut être importante », a déclaré Delaire. « L'adoption de ces résultats et d'autres avancées théoriques permettra aux scientifiques des matériaux de prédire as well as facilement d'autres bons matériaux thermoélectriques. »