Os materiais termoelétricos são considerados um recurso fundamental para o futuro - capazes de produzir eletricidade a partir de fontes de calor que, de outra forma, iriam para o lixo, de usinas de energia, tubos de escape de veículos e em outros lugares, sem gerar gases de efeito estufa adicionais. Embora vários materiais com propriedades termoelétricas tenham sido descobertos, a maioria produz muito pouca energia para aplicações práticas.

Uma equipe de pesquisadores - de universidades dos Estados Unidos e da China, bem como o Oak Ridge National Laboratory - está relatando um novo mecanismo para impulsionar o desempenho por meio de maior mobilidade do portador, aumentando a rapidez com que os elétrons portadores de carga podem se mover através do material. O trabalho, relatado esta semana no Proceedings of the National Academy of Science , focado em um material de magnésio-antimônio tipo n recentemente descoberto com uma figura termoelétrica de mérito relativamente alta, mas o autor principal, Zhifeng Ren, disse que o conceito também pode ser aplicado a outros materiais.

“Quando você melhora a mobilidade, você melhora o transporte de elétrons e o desempenho geral, "disse Ren, M.D. Anderson Professor titular de física da Universidade de Houston e pesquisador principal do Texas Center for Superconductivity at UH.

Os materiais termoelétricos produzem eletricidade explorando o fluxo da corrente de calor de uma área mais quente para uma área mais fria, e sua eficiência é calculada como a medida de quão bem o material converte calor em energia. Contudo, porque o calor residual é uma fonte abundante e gratuita de combustível, a taxa de conversão é menos importante do que a quantidade total de energia que pode ser produzida, Ren disse. Isso levou os pesquisadores a buscar maneiras de melhorar o fator de potência dos materiais termelétricos.

Paul Ching-Wu Chu, TLL Temple Chair of Science, diretor fundador e cientista-chefe do Texas Center for Superconductivity, observou que Ren havia demonstrado anteriormente a importância do fator de potência de um material para determinar quão bem ele funcionará em um dispositivo termoelétrico. Chu é co-autor deste trabalho mais recente, que ele disse "demonstra nos materiais baseados em magnésio-antimônio do tipo n que o fator de potência pode de fato ser melhorado pelo ajuste adequado da dispersão do portador no material."

"Isso fornece um novo caminho para dispositivos termoelétricos mais poderosos, " ele adicionou.

Semicondutores termoelétricos vêm em duas variações, tipo n, criado pela substituição de um elemento que resulta em um elétron "livre" para transportar a carga, e tipo p, em que o elemento de substituição tem um elétron a menos do que o elemento que substituiu, deixando um "buraco" que facilita o movimento da energia à medida que os elétrons se movem pelo material para preencher o ponto vazio.

O trabalho relatado em PNAS aborda a necessidade de um composto de magnésio-antimônio tipo n mais poderoso, expandindo seu potencial como um material termoelétrico que pode ser emparelhado com um material eficaz de magnésio-antimônio do tipo p, que havia sido relatado anteriormente.

O fator de potência do material pode ser aumentado aumentando a mobilidade da portadora, disseram os pesquisadores. "Aqui, relatamos um aprimoramento substancial na mobilidade do portador, ajustando o mecanismo de espalhamento do portador em materiais baseados em Mg3Sb2 tipo n, "eles escreveram." ... Nossos resultados demonstram claramente que a estratégia de ajustar o mecanismo de espalhamento da portadora é bastante eficaz para melhorar a mobilidade e também deve ser aplicável a outros sistemas de materiais. "

Os pesquisadores substituíram uma pequena fração de magnésio no composto por uma variedade de elementos de metal de transição, incluindo ferro, cobalto, háfnio e tântalo, para determinar a melhor forma de aumentar a mobilidade da operadora e, através disso, o fator de potência do material.

"Nosso trabalho, "concluem os pesquisadores, "demonstra que o mecanismo de espalhamento do portador pode desempenhar um papel vital nas propriedades termoelétricas do material, e o conceito de ajuste do mecanismo de espalhamento da portadora deve ser amplamente aplicável a uma variedade de sistemas de materiais. "