Courir chaud et froid

La professeure de l'Institut Mildred S. Dresselhaus souhaite donner une nouvelle tournure à une idée du XIXe siècle. Les scientifiques connaissent depuis près de 200 ans l'effet thermoélectrique : certains matériaux génèrent une tension électrique lorsque leur température est différente de chaque côté. Et lorsqu'une tension leur est appliquée, ils chauffent d'un côté et refroidissent de l'autre. Cependant, fabriquer des matériaux avec ces propriétés a toujours été un défi : la plupart des matériaux conducteurs d'électricité conduisent également la chaleur, de sorte que leur température s'égalise rapidement. Cela les rend inefficaces pour générer de l'électricité et peu pratiques pour la plupart des applications de chauffage ou de refroidissement.

Mais Dresselhaus, qui étudie la physique des solides à l'échelle nanométrique, affirme que les dispositifs thermoélectriques deviendront viables lorsque de nouveaux matériaux nanostructurés qu'elle et d'autres conçoivent en laboratoire seront commercialisés. Avec Gang Chen au MIT, Zhifeng Ren au Boston College et Jean-Pierre Fleurial au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, Dresselhaus manipule les propriétés de transport d'énergie des matériaux à l'échelle nanométrique afin de développer de bons conducteurs électriques qui sont de mauvais conducteurs thermiques. En travaillant avec des composites constitués de matériaux semi-conducteurs complémentaires tels que le tellurure de bismuth et le silicium-germanium, les chercheurs espèrent créer des matériaux thermoélectriques deux fois plus efficaces que leurs homologues conventionnels.

Les matériaux thermoélectriques existants ont déjà certaines applications, telles que les sièges auto à température contrôlée individuellement qui peuvent être efficacement réchauffés lorsqu'ils ont froid ou refroidis lorsqu'ils sont en sueur. Le système, fabriqué par une entreprise du Michigan, améliore l'économie de carburant ainsi que le confort : si vous êtes assis sur un siège frais, vous avez besoin de moins de climatisation, souligne Dresselhaus. Mais encore mieux seraient des applications qui captent la chaleur résiduelle, par exemple du tuyau d'échappement d'une voiture, et la convertissent en électricité. Nous sommes tous préoccupés par l'énergie durable, dit-elle. Si nous pouvions recycler la chaleur perdue pour produire de l'énergie, nous pourrions l'utiliser pour quelque chose d'utile.

Le défi actuel est d'incorporer des nanoparticules dans des structures suffisamment grandes pour se connecter à un système à l'échelle humaine. À cette fin, Dresselhaus presse des nanoparticules de silicium et de germanium dans un moule, puis les chauffe et les refroidit rapidement sous vide pour les compacter en barres millimétriques. En rassemblant de petites particules de composition et de taille différentes, elle augmente la surface du matériau, créant un parcours d'obstacles de sous-structures internes à l'échelle nanométrique qui ralentissent le transfert de chaleur tout en laissant passer l'énergie électrique.

Les nouveaux matériaux pourraient aider les chercheurs à intégrer des systèmes de refroidissement dans des micropuces, à remplacer les systèmes CVC à base de fréon dans les véhicules, à rendre les moteurs de voiture plus efficaces et à améliorer l'efficacité photovoltaïque en exploitant la chaleur solaire ainsi que la lumière. Si nous disposions de matériaux améliorés qui pourraient être produits à moindre coût et en grande quantité, l'industrie thermoélectrique pourrait certainement progresser plus rapidement, dit Dresselhaus. Cela ne s'arrêtera pas aux sièges auto.

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