La chaleur est partout autour de nous. Dans les moteurs de nos voitures, dans les processeurs de nos ordinateurs, dans nos canalisations industrielles. Et la majeure partie de cet excès est tout simplement gaspillée, dispersée dans l’environnement. Là thermoélectrique a longtemps promis de capter cette énergie perdue, mais a toujours été freiné par un dilemme fondamental : comment conduire l’électricité sans également conduire la chaleur ?
Maintenant, une équipe dirigée par Fabian Garmroudi au Laboratoire national de Los Alamos a trouvé une réponse étonnamment efficace. Combiner deux matériels Avec des structures de réseau incompatibles mais des propriétés électroniques compatibles, l'équipe a créé un hybride qui défie les conventions de la physique des matériaux et double l'efficacité thermoélectrique. Comme? Jetons un oeil ensemble.
Le défi des propriétés conflictuelles
Les matériaux thermoélectriques efficaces (semi-conducteurs à l’état solide qui convertissent la chaleur en énergie électrique) doivent conduire l’électricité efficacement tout en minimisant le transfert de chaleur. Comme mentionné précédemment, cela représente un défi particulier : les matériaux qui conduisent bien l’électricité conduisent généralement aussi bien la chaleur.
Comment expliquez-vous Garmroudi: « Dans la matière solide, la chaleur est transférée à la fois par les porteurs de charge mobiles et par les vibrations des atomes dans le réseau cristallin. » C’est un problème qui frustre les chercheurs depuis des décennies, limitant les applications pratiques de cette technologie prometteuse.
Dans les matériaux thermoélectriques, nous cherchons principalement à supprimer le transport de chaleur par les vibrations du réseau, car elles ne contribuent pas à la conversion d'énergie.
Cette idée a conduit l’équipe vers une approche complètement nouvelle, vient d'être annoncé dans un communiqué de presse. Au lieu de modifier un seul matériau, pourquoi ne pas en combiner deux aux caractéristiques complémentaires ?
L'intuition thermoélectrique qui change les règles du jeu
L'innovation est née lors du séjour de recherche de Garmroudi à Tsukuba, au Japon, soutenu par le Lions Award et réalisé auInstitut national des sciences des matériaux dans le cadre de son travail à laUniversité technique de Vienne.
Sous une chaleur et une pression intenses, il a fusionné deux poudres distinctes : l'une fabriquée à partir d'un alliage à base de fer avec vanadium, tantale e aluminium (Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅), et l'autre d'un mélange de bismuth-antimoine (Bi₀.₉Sb₀.₁). Le résultat ? Un matériau hybride compact au potentiel thermoélectrique vraiment prometteur : une fois de plus, les solutions les plus élégantes naissent de combinaisons inattendues.
Ce qui rend cette approche particulièrement brillante, c’est que les deux matériaux ne fusionnent pas au niveau atomique. En raison de leurs caractéristiques chimiques et mécaniques différentes, le composant bismuth-antimoine s'accumule sélectivement aux interfaces de taille micrométrique entre les cristaux de l'alliage FeVTaAl. En termes simples ? Imaginez avoir deux types de briques LEGO complètement différents qui ne peuvent pas s’emboîter. Lorsque vous essayez de les combiner sous pression et chaleur, au lieu de les mélanger et de les fusionner complètement, ils restent séparés. Le bismuth-antimoine (un type de bloc de construction) ne se mélange pas à l'alliage de fer (l'autre type de bloc de construction), mais se trouve plutôt précisément dans les espaces entre les cristaux de l'alliage de fer, créant des « zones limites » microscopiques.
C'est précisément dans ces régions limites que la magie opère : les électrons peuvent facilement passer d'un matériau à l'autre (bonne conduction électrique), tandis que les vibrations thermiques sont bloquées (mauvaise conduction thermique). C'est comme avoir un filtre qui laisse passer l'électricité mais bloque la chaleur : exactement ce qu'il faut pour une efficacité thermoélectrique record.
Dépassant la norme des années 50
« Cette découverte nous rapproche beaucoup plus de notre objectif de développer un matériau thermoélectrique capable de concurrencer les composés disponibles dans le commerce à base de tellurure de bismuth », conclut-il. Garmroudi. « Le découplage ciblé du transport de chaleur et de charge a permis à l'équipe d'augmenter l'efficacité du matériau de plus de 100 pour cent. »
Le tellurure de bismuth, introduit dans les années 50, est toujours considéré comme la référence en matière de matériaux thermoélectriques. Cependant, les nouveaux matériaux hybrides offrent un avantage important : ils sont nettement plus stables et plus rentables.
Cette avancée pourrait transformer la manière dont nous alimentons l’Internet des objets, en particulier les microcapteurs et autres appareils électroniques miniatures. Imaginez un avenir où la chaleur résiduelle des usines industrielles, des véhicules ou même du corps humain pourrait être récupérée et transformée en énergie électrique utilisable.
C’est désormais une réelle possibilité grâce à cette recherche pionnière qui repousse les limites de ce que nous pensions possible en physique des matériaux.
