De plus en plus de technologies utilisent la thermoélectricité pour s’alimenter en énergie. L’énergie thermoélectrique provient de la conversion de la chaleur en électricité grâce aux différences de température. Cependant, les matériaux thermoélectriques usuels génèrent une quantité d’énergie relativement faible. Mais, récemment, des physiciens autrichiens ont mis au point un tout nouveau matériau thermoélectrique brisant tous les records de quantité d’énergie générée. Un tel matériau pourrait équiper les capteurs et processeurs afin qu’ils s’auto-alimentent en énergie.

Les matériaux thermoélectriques peuvent convertir la chaleur en énergie électrique. Ceci est dû à l’effet Seebeck : s’il existe une différence de température entre les deux extrémités d’un tel matériau, une tension électrique peut être générée et le courant peut commencer à circuler. La quantité d’énergie électrique pouvant être générée à une différence de température donnée est mesurée par la valeur dite ZT : plus la valeur ZT d’un matériau est élevée, meilleures sont ses propriétés thermoélectriques.

Les meilleurs matériaux thermoélectriques à ce jour ont été mesurés à des valeurs de ZT d’environ 2.5 à 2.8. Les physiciens de l’Université technique de Vienne ont réussi à mettre au point un tout nouveau matériau d’une valeur ZT de 5 à 6. Il s’agit d’une fine couche de fer, de vanadium, de tungstène et d’aluminium appliquée sur un cristal de silicium.

Le nouveau matériau est si efficace qu’il pourrait être utilisé pour fournir de l’énergie à des capteurs ou même à de petits processeurs informatiques. Au lieu de connecter de petits appareils électriques à des câbles, ils pourraient générer leur propre électricité à partir de différences de température. L’étude a été publiée dans la revue Nature.

Une combinaison de fer, vanadium, tungstène et aluminium

« Un bon matériau thermoélectrique doit présenter un fort effet Seebeck et doit répondre à deux exigences importantes, difficiles à concilier » déclare le physicien Ernst Bauer de l’Institut de physique du solide de la TU Wien. « D’une part, il doit conduire l’électricité aussi bien que possible ; d’autre part, il doit conduire la chaleur le moins possible. C’est un défi, car conductivité électrique et conductivité thermique sont généralement étroitement liées ».

Au laboratoire Christian Doppler pour la thermoélectricité, créé par Ernst Bauer à la TU Wien en 2013, différents matériaux thermoélectriques pour différentes applications ont été étudiés au cours des dernières années. Ces recherches ont maintenant permis de découvrir un matériau particulièrement remarquable : une combinaison de fer, de vanadium, de tungstène et d’aluminium.

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Structure atomique du nouveau matériau. Crédits : B. Hinterleitner et al. 2019

« Les atomes de ce matériau sont généralement disposés de manière strictement régulière dans un réseau cubique à faces centrées. La distance entre deux atomes de fer est toujours la même, et il en va de même pour les autres types d’atomes. L’ensemble du cristal est donc parfaitement régulier » explique Bauer.

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Fermions de Weyl et conductivité thermique basse dans la structure cristalline

Cependant, lorsqu’une mince couche de matériau est appliquée sur du silicium, il se passe quelque chose d’étonnant: la structure change radicalement. Bien que les atomes forment toujours un motif cubique, ils sont maintenant disposés dans une structure centrée sur l’espace, et la distribution des différents types d’atomes devient complètement aléatoire.

« Deux atomes de fer peuvent s’assembler l’un à côté de l’autre, des emplacements adjacents peuvent être occupés par du vanadium ou de l’aluminium, et il n’y a plus de règle qui dicte l’emplacement du prochain atome de fer dans le cristal ».

Ce mélange de régularité et d’irrégularité de la disposition atomique modifie également la structure électronique, ce qui détermine la manière dont les électrons se déplacent dans le solide. « La charge électrique se déplace de manière particulière dans le matériau afin de le protéger des processus de diffusion. Les charges qui traversent le matériau sont appelées Fermions de Weyl ». De cette manière, une très faible résistance électrique est obtenue.

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Graphiques montrant les propriétés thermoélectriques du matériau. Crédits : B. Hinterleitner et al. 2019

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Les vibrations du réseau, en revanche, qui transportent la chaleur des zones de haute température aux zones de basse température, sont inhibées par les irrégularités de la structure cristalline. Par conséquent, la conductivité thermique diminue. Ceci est important si l’énergie électrique doit être générée en permanence à partir d’une différence de température — car si les différences de température pouvaient s’équilibrer très rapidement et que tout le matériau avait la même température partout, l’effet thermoélectrique s’arrêterait.

Équiper les technologies interconnectées avec une alimentation autonome

« Bien sûr, une couche aussi mince ne peut pas générer une quantité d’énergie particulièrement importante, mais elle présente l’avantage d’être extrêmement compacte et adaptable. Nous voulons l’utiliser pour fournir de l’énergie aux capteurs et aux petites applications électroniques ».

La demande pour de tels générateurs à petite échelle augmente rapidement : dans « l’Internet des objets », de plus en plus d’appareils sont reliés entre eux en ligne, de sorte qu’ils coordonnent automatiquement leur comportement les uns avec les autres. Cela est particulièrement prometteur pour les futures usines de production, où une machine doit réagir de manière dynamique à une autre.

« Si vous avez besoin d’un grand nombre de capteurs dans une usine, vous ne pouvez pas les relier ensemble. Il est beaucoup plus intelligent que les capteurs puissent générer leur propre puissance en utilisant un petit dispositif thermoélectrique » conclut Bauer.

Sources : Nature

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