Transformer la chaleur résiduelle en énergie

Le silicium, sous forme de cellules photovoltaïques, est bon pour produire de l'électricité à partir de la lumière du soleil. De nouvelles recherches montrent qu'il pourrait également faire un bon thermoélectrique : un matériau qui convertit la chaleur en électricité et vice versa. Étant donné que le silicium est plus abondant que les principaux matériaux thermoélectriques et dispose d'une vaste infrastructure de fabrication, il pourrait éventuellement produire des dispositifs bon marché pour produire de l'énergie à partir de la chaleur résiduelle des moteurs ou de la chaleur solaire.

Client sympa : Cette image, produite par un microscope électronique à balayage, montre un nanofil de silicium rugueux reliant deux coussins chauffants, l'un servant de source de chaleur et l'autre de capteur. Les chercheurs ont découvert que les nanofils de silicium de 50 nanomètres de large ont une conductivité thermique considérablement plus faible que le silicium en vrac, mais conservent leur conductivité électrique. Ainsi, les nanofils présentent un potentiel en tant que matériaux thermoélectriques, qui convertissent la chaleur en électricité et vice versa.

Dans cette semaine La nature , Université de Californie, Berkeley, professeur de chimie Peidong Yang et ses collègues rapportent avoir fabriqué des nanofils de silicium qui génèrent de l'électricité lorsqu'un différentiel de température est appliqué entre eux. Jusqu'à présent, le silicium était considéré comme un mauvais matériau thermoélectrique. Mais selon Yang, les performances des nanofils sont déjà comparables au meilleur matériau thermoélectrique existant.

Les dispositifs thermoélectriques existent depuis le début des années 1960, généralement fabriqués à partir de tellurure de bismuth ou de tellurure de plomb. Ils sont principalement utilisés pour le refroidissement : lorsqu'une tension est appliquée aux bornes d'un matériau thermoélectrique, il devient plus chaud d'un côté et plus froid de l'autre. Les glacières thermoélectriques sont couramment utilisées dans les glacières de pique-nique portables et les sièges de voiture rafraîchissants.

Mais des applications plus intéressantes résident dans l'efficacité énergétique et la production d'énergie. La thermoélectricité pourrait être utilisée pour convertir la chaleur résiduelle générée par les moteurs de voiture en électricité. Encore plus attrayante est l'idée que les thermoélectriques exploitent la chaleur du soleil pour créer de l'électricité. Mais le tellurure de bismuth et le tellurure de plomb ne sont pas assez efficaces, de sorte que les appareils fabriqués à partir d'eux sont coûteux et encombrants, car ils nécessitent plus de matériel.

Les thermoélectriques devraient être au moins deux fois plus efficaces qu'ils ne le sont actuellement pour être utilisés pour la production d'électricité bon marché, selon Mildred Dresselhaus , un pionnier de la thermoélectricité et professeur de physique et d'électrotechnique au MIT. L'utilisation de structures à l'échelle nanométrique au lieu de cristaux en vrac des matériaux peut augmenter leur efficacité, dit-elle. Les nanostructures bloquent le flux de chaleur mais permettent aux électrons de circuler facilement. Mais le traitement et la nanostructuration du tellurure de bismuth n'est pas chose aisée.

Le silicium, en revanche, est beaucoup plus facile à traiter et dispose d'une grande infrastructure de traitement, explique Yang. Le silicium a également un coût beaucoup plus faible que le tellurure de bismuth. Le problème avec le silicium, c'est que c'est un mauvais thermoélectrique. Un bon thermoélectrique doit être composé de deux choses : un bon conducteur électrique et un mauvais conducteur thermique. Le silicium conduit très bien la chaleur et l'électricité.

Yang et ses collègues ont réduit la conductivité thermique du silicium en utilisant des nanofils de silicium. Ils ont fabriqué un réseau de nanofils de silicium d'un diamètre compris entre 20 et 300 nanomètres. La synthèse de nanofils consiste souvent à liquéfier une nanoparticule et à la faire pousser, un peu comme un cheveu. Mais cela produit des nanofils avec des surfaces lisses. La méthode de gravure chimique que l'équipe de Yang utilise donne lieu à des nanofils qui ont des surfaces rugueuses. Les chercheurs ont découvert que les fils d'environ 50 nanomètres de large conservent la conductivité électrique mais n'ont qu'un centième de la conductivité thermique. Il en résulte une efficacité thermoélectrique proche de celle de certains matériaux commerciaux de tellurure de bismuth.

Aucune théorie actuelle n'explique pourquoi la conductivité thermique des nanofils diminue si drastiquement. L'une des raisons, selon Yang, est que les nanofils presque unidimensionnels et les bords rugueux des fils bloquent le flux de phonons, qui sont des particules qui transportent de la chaleur. Mais le tableau complet reste flou.

Ali Shakouri , professeur d'électrotechnique à l'Université de Californie à Santa Cruz, affirme que les chercheurs devront comprendre comment fonctionne la physique avant de pouvoir améliorer suffisamment la technologie pour produire des appareils commerciaux. De plus, l'utilisation de nanofils pour la conversion d'énergie et la production d'électricité a ses propres limites, explique Shakouri. De telles applications nécessitent de grands réseaux de nanofils, mais dans le La nature papier, Yang et ses collègues ont mesuré les propriétés électriques de nanofils individuels. Les chercheurs devront s'assurer que ces propriétés se traduisent par des réseaux de nanofils entiers, explique Shakouri : les variations et les interactions entre les nanofils pourraient retirer certains avantages.

Pourtant, dit-il, c'est un travail important qui pourrait avoir un grand impact. Shakouri souligne non seulement la démonstration du potentiel du silicium en tant que thermoélectrique, mais également l'ingénierie unique utilisée par les chercheurs pour fabriquer des nanofils bruts. La nouvelle façon de jouer avec les propriétés des matériaux est très intéressante, dit-il. Cela pourrait ouvrir la voie à l'amélioration de la thermoélectrique qui pourrait être appliquée à d'autres matériaux.

Yang et ses collègues, quant à eux, réfléchissent déjà à la manière d'améliorer les performances de leurs nanofils. Ils prévoient de réduire la taille des nanofils et de rendre leurs surfaces plus rugueuses qu'elles ne le sont déjà. Cela devrait améliorer leurs propriétés thermoélectriques, dit Yang. Les chercheurs prévoient également de fabriquer et de tester un véritable dispositif thermoélectrique à l'aide de nanofils de silicium.

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