Dispozitivele termoelectrice anterioare folosesc elemente scumpe și toxice. Acum, oamenii de știință au creat cristale ieftine compuse din cupru, mangan, germaniu și sulf care pot converti eficient căldura în electricitate.
În efortul de a transforma eficient căldura în energie electrică, materialele ușor accesibile din materii prime inofensive deschid noi perspective în dezvoltarea așa-numitelor materiale termoelectrice sigure și ieftine. Un mineral de cupru sintetic dobândește o structură și o microstructură complexă prin simple modificări ale compoziției sale, punând astfel bazele proprietăților dorite, potrivit unui studiu publicat recent în jurnalul Angewandte Chemie.
Noul material sintetic este compus din cupru, mangan, germaniu și sulf și este produs într-un proces destul de simplu, explică Emmanuel Guilmeau, cercetător CNRS la laboratorul CRISMAT, Caen, Franța, care este autorul corespondent al studiului.
„Pudrele sunt pur și simplu aliate mecanic prin măcinare cu bile pentru a forma o fază precristalizată, care este apoi densificată la 600 de grade Celsius. Acest proces poate fi extins cu ușurință”, spune el.
Acest lucru este util în special în procesele industriale în care căldura reziduală este reutilizată ca energie electrică valoroasă. Abordarea inversă este răcirea pieselor electronice, de exemplu, în smartphone-uri sau mașini. Materialele utilizate în acest tip de aplicații trebuie să fie nu numai eficiente, ci și ieftine și mai presus de toate, sigure pentru sănătate.
Cu toate acestea, dispozitivele termoelectrice utilizate până în prezent folosesc elemente scumpe și toxice, cum ar fi plumbul și telurul, care oferă cea mai bună eficiență de conversie. Pentru a găsi alternative mai sigure, Emmanuel Guilmeau și echipa sa au apelat la derivați de minerale sulfurate naturale pe bază de cupru. Acești derivați minerali sunt alcătuiți în principal din elemente netoxice și abundente, iar unele dintre ele au proprietăți termoelectrice.
Acum, echipa a reușit să producă o serie de materiale termoelectrice care prezintă două structuri cristaline în același material.
„Am fost foarte surprinși de rezultat. De obicei, modificarea ușoară a compoziției are un efect redus asupra structurii în această clasă de materiale”, spune Emmanuel Guilmeau, descriind descoperirea lor.
Echipa a descoperit că înlocuirea unei mici fracțiuni de mangan cu cupru a produs microstructuri complexe cu nanodomenii interconectate, defecte și interfețe coerente, care au afectat proprietățile de transport ale materialului pentru electroni și căldură.
Emmanuel Guilmeau spune că noul material produs este stabil până la 400 de grade Celsius (750 de grade Fahrenheit), o gamă care se încadrează în intervalul de temperatură a căldurii reziduale a majorității industriilor. El este convins că, pe baza acestei descoperiri, materiale termoelectrice noi, mai ieftine și netoxice ar putea fi proiectate pentru a înlocui materialele mai problematice.
Articol de Răzvan Lupu
