L'ISTM, insieme ad altri sei gruppi europei, partecipa al progetto NanoThermel per lo sviluppo nanotecnologico di materiali e dispositivi (Fig. 1) termoelettrici (TE) ad alto rendimento.
I materiali TE hanno doppia funzione: servono per generare corrente elettrica, ma anche per raffreddare o riscaldare. Per il primo scopo si applica una differenza di temperatura alle due estremità del materiale, per il secondo si fa passare una corrente elettrica. I dispositivi TE hanno caratteristiche particolarmente interessanti quali le dimensioni ridotte, la semplicità, l'affidabilità e sono usati in applicazioni terrestri e spaziali. Avranno un ruolo sempre più significativo nello sviluppo di sistemi di conversione di energia e di raffreddamento efficienti e con basso impatto ambientale. Un dispositivo TE potrebbe convertire il calore dei gas di combustione delle auto in elettricità riutilizzabile all'interno del veicolo, riducendone il costo di esercizio e l'emissione di CO2, mentre l'impiego di refrigeratori TE, che non usano fluorocarburi, ridurrebbe il buco dell'ozono.
Tuttavia, per competere con le tecnologie convenzionali, occorre migliorare l'efficienza degli attuali dispositivi TE che è funzione delle proprietà del materiale TE attraverso la figura di merito ZT,
ZT=TS2s/k (T, temperatura assoluta)
Trovare un materiale con alta ZT è come cercare un ago nel pagliaio: alto potere termoelettrico S come i semiconduttori, alta conducibilità elettrica s come i metalli, bassa conducibilità termica k come i vetri.
Per aumentare ZT, seguiamo una duplice strategia: la nanostrutturazione e l'introduzione di modifiche strutturali in materiali guest-host, altamente promettenti sotto il profilo TE, quali le skutteruditi e i clatrati inorganici.
Nanostrutturando le skutteruditi abbiamo ridotto k di un ordine di grandezza, grazie alla maggiore densità di bordi di grano. Questo risultato è stato in parte offuscato dalla contemporanea diminuzione di S e s, che stiamo cercando di contrastare con un doping ottimale e con l'adozione di vie sintetiche che prevengano l'ossidazione dei bordi di grano.
Si può ridurre k anche riempiendo le cavità delle skutteruditi (Fig. 2) e dei clatrati (Fig. 3) con atomi sufficientemente piccoli, che oscillino localmente, creino disordine dinamico e non interferiscano sul trasporto elettronico. Combinando il riempimento delle cavità con opportuno doping dell'host, si spera di arrivare a un compromesso vincente tra diminuzione di k e possibili diminuzioni di s e S.
Compito principale dell'ISTM è la simulazione, tramite calcoli ab initio, delle variazioni che le modifiche strutturali inducono sulle proprietà del materiale TE. La simulazione sta dimostrandosi una guida utile per la scelta dei materiali da sintetizzare, nonché un aiuto considerevole per la comprensione delle loro proprietà di trasporto.
Raddoppiare ZT rispetto ai materiali attuali è il goal principale del progetto, finanziato dalla Comunità Europea all'interno del V Programma Quadro.
Immagini:
