Les matériaux thermoélectriques permettent la conversion directe de la chaleur en énergie électrique et vice versa, offrant un potentiel considérable pour diverses applications technologiques.
Une équipe de recherche de l’Université de Technologie de Vienne (TU Wien) a étudié plusieurs alliages métalliques pour identifier les matériaux thermoélectriques aux propriétés les plus prometteuses.
Leurs résultats, publiés dans la prestigieuse revue Science Advances, révèlent que le mélange de nickel et d’or est particulièrement intéressant.
Les applications des matériaux thermoélectriques
Utiliser des matériaux thermoélectriques pour générer de l’électricité n’est pas une nouveauté. Depuis le milieu du 20e siècle, ils ont été utilisés pour produire de l’énergie électrique dans l’exploration spatiale. Les matériaux thermoélectriques trouvent également des applications dans la vie quotidienne, comme les réfrigérateurs portables.
Par ailleurs, ils pourraient être utilisés dans des environnements industriels pour convertir la chaleur perdue en électricité verte, pour ne citer qu’une des nombreuses applications potentielles.
Le fonctionnement de la thermoélectricité
Le principe de la thermoélectricité repose sur le mouvement des particules chargées qui migrent du côté le plus chaud vers le côté le plus froid d’un matériau. Cela génère une tension électrique, appelée tension thermoélectrique, qui s’oppose au mouvement thermiquement excité des porteurs de charge.
Le coefficient de Seebeck, nommé d’après le physicien allemand Thomas Johann Seebeck, est un paramètre important pour évaluer la performance thermoélectrique d’un matériau. L’exigence clé est qu’il existe un déséquilibre entre les charges positives et négatives, car elles se compensent mutuellement.
Alliages de nickel et d’or aux propriétés exceptionnelles
Les physiciens de l’Institut de Physique des Solides (TU Wien) ont réussi à trouver des alliages métalliques présentant à la fois une conductivité élevée et un coefficient de Seebeck exceptionnellement grand. Mélanger le métal magnétique nickel avec le métal noble or modifie radicalement les propriétés électroniques. Lorsque la couleur jaunâtre de l’or disparaît avec l’ajout d’environ 10 % de nickel, la performance thermoélectrique augmente rapidement.
L’origine physique de cet effet Seebeck amélioré réside dans le comportement de diffusion dépendant de l’énergie des électrons, un effet fondamentalement différent des thermoélectriques à base de semi-conducteurs.
Un matériau record
La combinaison d’une conductivité électrique extrêmement élevée et d’un coefficient de Seebeck élevé conduit à des valeurs de facteur de puissance thermoélectrique record dans les alliages de nickel et d’or, surpassant de loin celles des semi-conducteurs conventionnels.
« Avec la même géométrie et un gradient de température fixe, une puissance électrique bien supérieure à celle de tout autre matériau connu pourrait être générée« , explique Fabian Garmroudi, premier auteur de l’étude.
De plus, la haute densité de puissance pourrait permettre des applications à grande échelle dans le futur. « Avec les performances actuelles, les montres intelligentes, par exemple, pourraient déjà être chargées de manière autonome en utilisant la chaleur corporelle de l’utilisateur« , commente Andrej Pustogow, auteur principal de l’étude.
Le nickel et l’or ne sont que le début
Bien que l’or soit un élément coûteux, cette étude représente une preuve de concept.
« Nous avons pu montrer que non seulement les semi-conducteurs, mais aussi les métaux peuvent présenter de bonnes propriétés thermoélectriques, les rendant pertinents pour diverses applications. Les alliages métalliques présentent divers avantages par rapport aux semi-conducteurs, notamment dans le processus de fabrication d’un générateur thermoélectrique« , explique Michael Parzer, l’un des auteurs principaux de l’étude.
Avant de commencer leurs travaux expérimentaux, les chercheurs ont calculé, à l’aide de modèles théoriques, quels alliages étaient les plus appropriés. Actuellement, le groupe étudie également d’autres candidats prometteurs qui ne nécessitent pas l’utilisation de l’élément coûteux qu’est l’or.
En synthèse
Les matériaux thermoélectriques offrent un potentiel considérable pour diverses applications technologiques. L’étude menée par l’équipe de recherche de l’Université de Technologie de Vienne a mis en évidence les propriétés exceptionnelles des alliages de nickel et d’or en matière de thermoélectricité. Bien que l’or soit un élément coûteux, cette découverte ouvre la voie à la recherche d’autres alliages métalliques prometteurs pour des applications thermoélectriques.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que la thermoélectricité et comment fonctionne-t-elle ?
La thermoélectricité est un phénomène qui permet la conversion directe de la chaleur en énergie électrique et vice versa. Elle repose sur le mouvement des particules chargées qui migrent du côté le plus chaud vers le côté le plus froid d’un matériau, générant une tension électrique appelée tension thermoélectrique. Le coefficient de Seebeck est un paramètre important pour évaluer la performance thermoélectrique d’un matériau.
2. Quelles sont les applications des matériaux thermoélectriques ?
Les matériaux thermoélectriques sont utilisés dans diverses applications, notamment la production d’énergie électrique dans l’exploration spatiale, les réfrigérateurs portables et la conversion de la chaleur perdue en électricité verte dans les environnements industriels.
3. Quels sont les avantages des alliages de nickel et d’or ?
Les alliages de nickel et d’or présentent une conductivité électrique extrêmement élevée et un coefficient de Seebeck élevé, conduisant à des valeurs de facteur de puissance thermoélectrique record. Cela signifie qu’ils peuvent générer beaucoup plus d’énergie électrique que d’autres matériaux connus avec la même géométrie et un gradient de température fixe.
4. Pourquoi l’or est-il utilisé dans ces alliages malgré son coût élevé ?
L’utilisation de l’or dans ces alliages est une preuve de concept démontrant que les métaux peuvent présenter de bonnes propriétés thermoélectriques. Les chercheurs étudient actuellement d’autres candidats prometteurs qui ne nécessitent pas l’utilisation de l’élément coûteux qu’est l’or.
5. Quel est l’impact potentiel de cette découverte ?
La découverte des propriétés exceptionnelles des alliages de nickel et d’or en matière de thermoélectricité pourrait avoir un impact significatif sur le développement futur de technologies éco-énergétiques et durables, en permettant la conversion efficace de la chaleur en électricité et vice versa dans diverses applications.
Légende illustration principale : Schéma de l’effet thermoélectrique dans les alliages nickel-or. – Crédit : Fabian Garmroudi
Article : « High thermoelectric performance in metallic NiAu alloys via interband scattering » – DOI: 10.1126/sciadv.adj1611
