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Un nouveau matériau thermoélectrique très performant grâce au désordre !

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Une équipe de chercheurs américains vient de repousser les limites d'efficacité pour un matériau thermoélectrique en modifiant de manière subtile sa structure atomique. Tous nos appareils, moteurs ou processus de production, dégagent de la chaleur en grande quantité et l'on sait, depuis la découverte des principes de la thermodynamique par Carnot et Clausius, au XIXème siècle, qu'il existe une équivalence fondamentale entre les différentes formes d'énergie, mécanique, cinétique, thermique et électrique notamment.

Toute la difficulté consiste à pouvoir "extraire" avec un rendement suffisant, cette énorme quantité de chaleur pour la transformer en électricité utilisable. C'est précisément le rôle des matériaux thermoélectriques qui possèdent la propriété très recherchée de pouvoir utiliser une amplitude thermique (la différence entre une source froide et une source chaude) pour déplacer les électrons qui les composent et produire ainsi un courant électrique. Le problème est que ces matériaux thermoélectriques ont un rendement très médiocre : ils convertissent au mieux 7 % de la chaleur extraite en électricité.

Des chimistes de la Northwestern University viennent d’accomplir un pas important vers la mise au point de matériaux plus efficaces. Leurs travaux, publiés dans Nature le 19 septembre, dévoilent un composé produisant 20 % d’électricité supplémentaire par rapport aux records établis en laboratoire et doublant le taux de conversion de chaleur en électricité qui a pu atteindre les 15 %. En outre, cet alliage est composé de tellure de plomb, un matériau moins rare et moins coûteux que les alliages habituellement étudiés.

Pour obtenir ces performances nettement améliorées, les chercheurs ont eu l'idée d'introduire un désordre contrôlé dans la structure du matériau en dopant les mailles bien régulières constituées d’atomes de plomb et de tellure avec des grappes d'atomes de sodium. Ce sont ces irrégularités structurales qui améliorent les performances thermiques du matériau et permettent in fine d'augmenter la production électrique.

Reste à garantir la stabilité du matériau. Le sodium est en effet connu pour sa forte réactivité à l’humidité de l’air. L’utilisation du plomb, très réglementée, peut aussi restreindre le champ des applications. Optimistes, les chercheurs envisagent les premières applications d’ici deux à trois ans.

Article rédigé par Mark FURNESS pour RTFlash

Nature

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• Publié dans : Nanomatériaux
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