p A tecnologia termoelétrica pode gerar eletricidade a partir do calor residual, embora seu desempenho possa resultar em um gargalo para aplicativos mais amplos. Os cientistas de materiais podem regular a entropia configuracional de um material, introduzindo diferentes espécies atômicas para ajustar a composição de fase e estender o espaço de otimização de desempenho. Em um novo relatório agora em Ciência , Binbin Jang et al. usaram um material de alta entropia baseado em seleneto de chumbo do tipo n (PbSe) formado por estabilização estrutural conduzida por entropia. As redes amplamente distorcidas no sistema de alta entropia causaram deformações de cisalhamento incomuns para fornecer forte espalhamento de fônons para diminuir a condutividade térmica da rede. O trabalho apresenta um novo paradigma para melhorar o desempenho termoelétrico para materiais termoelétricos de alta entropia usando a engenharia de entropia. p Tecnologia termoelétrica

p Os cientistas de materiais desenvolveram tecnologias que podem capturar o calor residual resultante dos processos de conversão, contribuindo para mais de dois terços do desperdício de energia no mundo. A tecnologia termoelétrica é uma opção atrativa de fácil adaptação em muitas situações devido ao seu pequeno tamanho, falta de peças giratórias e emissão de gases. Um obstáculo existente para a tecnologia termelétrica é sua baixa eficiência de conversão. Tipicamente, os pesquisadores podem determinar a eficiência energética em relação às condutividades elétricas e à condutividade térmica da rede de materiais termoelétricos. Os pesquisadores, portanto, otimizaram os parâmetros ajustando estruturas de banda, microestruturas e estados de ligação com uma variedade de métodos propostos em convergência de banda, nível ressonante, ligas, nanoestrutura e íons do tipo líquido. Embora nomeado diversamente, esses métodos geralmente ajudam a melhorar as propriedades de transporte elétrico e a destruir o caminho de transporte térmico.

p Ligas de alta entropia (HEAs)

p Ligas de alta entropia (HEAs) normalmente fornecem um caminho para melhorar o desempenho termoelétrico, fortalecendo o espalhamento de fônons com base em sua desordem e rede distorcida. Os cientistas podem regular as propriedades eletrônicas do material para manter o transporte de elétrons para uso em uma ampla gama de composições químicas. Esses materiais são normalmente definidos como uma solução sólida contendo mais de cinco elementos principais e o conceito pode ser estendido para criar materiais funcionais estabilizados por entropia. Os cientistas de materiais relataram pela primeira vez materiais funcionais de alta entropia estabilizados por entropia contendo magnésio, cobalto, níquel, cobre, óxido de zinco seguido por perovskitas, fluorita, espinelas, carbonetos e silicetos. Em qualquer sistema, quando o aumento da entropia é maior do que a entalpia, a entropia configuracional aumentará com o aumento das espécies de elementos, levando a uma diminuição da energia livre de Gibbs e estrutura de cristal estabilizada. Os pesquisadores também podem formar uma nova fase usando a entropia como força motriz para a otimização do desempenho. Estruturas estabilizadas desta forma, manteve a energia livre onde o efeito de estabilização estrutural utilizou a competição entre entropia e entalpia. Jang et al. calculou a entalpia e a entropia vibracional usando a teoria do funcional da densidade para mostrar como o efeito de estabilização estrutural impulsionado pela entropia de um sistema de materiais formou um método eficaz para criar diversos materiais de alta entropia com uma composição além do limite de solubilidade para fornecer uma gama variada de propriedades para desempenho otimizado.

p Investigando os materiais

p As estruturas estabilizadas mantiveram a ordem de longo alcance do arranjo atômico para formar uma rede de transporte elétrico. O distúrbio de curto alcance em materiais de alta entropia fez com que o distúrbio da rede espalhe fortemente os fônons que transportam calor, o que reduziu a condutividade térmica da rede dos materiais de alta entropia, para então produzir propriedades de transporte térmico com diferença de temperatura no modo termoelétrico. Os pesquisadores já haviam notado uma melhora no desempenho termoelétrico em uma variedade de materiais de alta entropia. Contudo, Jang et al. permanecem para entender a relação entre entropia configuracional, microestrutura e propriedades termoelétricas. Por exemplo, a solubilidade em materiais é limitada devido às diferenças de tamanho e massa entre os átomos de soluto e solvente, tornando difícil realizar ligas de alta entropia simplesmente aumentando o teor de liga. A equipe então estudou o conteúdo elementar dos materiais usando padrões de difração de raios-X (XRD) e mapeamento de espectroscopia dispersiva de energia (EDS). Eles buscaram materiais com composições além do limite de solubilidade para fornecer uma faixa variada para desempenho ideal. Para confirmar ainda mais a arquitetura e homogeneidade dos materiais, eles conduziram análise de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF) e análise EDS de raios-X atômicos com microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM). Os resultados mostraram que a distribuição de todos os elementos é homogênea, desde a escala micro até a escala nanométrica. Usando mapeamentos EDS de ultra-alta resolução, Jang et al. esclareceu ainda mais as redes atômicas e as posições de cada elemento, onde os arranjos atômicos bem definidos eram distintos dos materiais amorfos.

p Estabilização induzida por entropia

p Durante o processo de estabilização impulsionada pela entropia, eles alcançaram um arranjo atômico bem mantido, mas a forte incompatibilidade de tamanho atômico comprometeu a rede para afetar fortemente o processo de transporte térmico. A equipe mediu a mudança de cepas de baixa entropia para alta entropia usando amostras e mostrou como os resultados triplicaram durante o processo. Eles então usaram difração de elétrons nanofeam (NBED) para detectar as cepas de rede e investigaram a cepa em escala atômica usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura e campo escuro anular de alto ângulo (STEM-HAADF). A estabilização estrutural impulsionada pela entropia dentro do sistema de materiais trabalhou junto com a rede severamente distorcida para efetuar o transporte elétrico e térmico dentro do material. Quando Jang et al. mais tarde introduziu estanho (Sn) em um material, eles mantiveram a estabilidade do elétron e notaram como um bandgap diminuído em vez de alta entropia resultou em excitação intrínseca em alta temperatura.

p Panorama

p Desta maneira, Binbin Jian e colegas mostraram um método para formar diferentes materiais termoelétricos de alta entropia por meio de estabilização estrutural conduzida por entropia com propriedades de transporte elétrico que são bem mantidas pela estrutura estabilizada. As grandes cepas da rede severamente distorcida em materiais de alta entropia forneceram forte espalhamento para fônons portadores de calor, assim, para contribuir para uma condutividade térmica de rede ultrabaixa. Esses resultados resultaram em funções aprimoradas de temperatura para os materiais de alta entropia, ao lado de alta eficiência de conversão térmica durante os experimentos. O trabalho fornece uma visão sobre a engenharia de entropia para materiais e módulos termoelétricos de alto desempenho como um caminho atraente para desenvolver materiais funcionais de alto desempenho. p © 2021 Science X Network