Le nanostrutture potenziano la conversione energetica
L'Europa è sempre più minacciata dal pesante impatto ambientale della combustione dei combustibili fossili. In virtù delle dimensioni ridotte, della convenienza economica, della leggerezza, della silenziosità e dell'ecocompatibilità, i nanomateriali e i dispositivi termoelettrici ad alta efficienza offrono tecnologie basate su energia pulita. Il problema di fondo insito nella creazione di materiali termoelettrici efficaci consiste nella necessità di tali risorse di garantire prestazioni estremamente elevate in termini di conduzione di elettricità ma non di calore. L'efficienza della conversione del calore di scarto in termini termoelettrici dipende dalla relativa cifra di merito (ZT), ovvero un numero che indica il rapporto tra la conduttività elettrica e la potenza termoelettrica (numeratore) rispetto alla conduttività termica (denominatore). Il progetto SPARKNANOTE ("Spark plasma sintering nanostructured thermoelectrics"), finanziato dall'UE, ha tentato di creare difetti e generare più bordi intergranulari allo scopo di ridurre la conduttività termica delle strutture a reticolo e di potenziare l'efficienza in termini di potenza termoelettrica. Per raggiungere l'obiettivo prefissato, gli esperti hanno identificato composizioni ottimizzate e promettenti, occupandosi del controllo della morfologia e delle dimensioni dei grani, nonché della sinterizzazione delle polveri. Sono stati quindi prodotti composti di tellururo di bismuto e di tri-antimoniato di cobalto dopati attraverso la molatura di vari materiali metallici che sono poi stati riassemblati in campioni in massa mediante la sinterizzazione con plasma a scintilla (SPS). Il gruppo di lavoro ha scoperto due elementi dopanti per il CoSb3 che determinano valori di ZT elevati. La combinazione tra una polvere nanostrutturata densa mediante la SPS e un processo di forgiatura a caldo in due fasi ha condotto alla fabbricazione di leghe a base di bismuto di tipo P nanostrutturate gerarchicamente con l'orientamento desiderato. È stato scoperto che la potenza termoelettrica nella direzione perpendicolare alla forza di pressione registra un valore molto più elevato rispetto a quello del materiale sottoposto al processo di sinterizzazione in una fase. Il secondo passaggio della forgiatura a caldo basata sulla SPS ha condotto a modifiche dell'interfaccia e a difetti dei cristalli che hanno prodotto valori di ZT più elevati. Questo risultato è stato ottenuto mediante un processo di diffrazione fotonica più efficace che si rivela determinante nella riduzione della conduttività termica. Gli scienziati sono stati così in grado di raggiungere un miglioramento del 50 % del valore della cifra di merito nelle leghe nanostrutturate. Il gruppo di lavoro ha inoltre introdotto bordi intergranulari gemelli sulla scala nanometrica nei materiali servendosi della tecnica di SPS per la relativa sinterizzazione e ottenendo, in tal modo, il valore di ZT più elevato in assoluto. In virtù della capacità dei nuovi materiali di convertire quantità significative di calore di scarto in elettricità utile, il settore della termoelettrica potrebbe rappresentare una scelta privilegiata per l'industria.
Parole chiave
Termoelettrico, tellururo di bismuto, tri-antimoniato di cobalto, nanomateriali, ZT, sinterizzazione con plasma a scintilla