Materiais termoelétricos de alto desempenho que convertem calor residual em eletricidade podem um dia ser uma fonte de energia mais sustentável. Mas eles precisam ser muito mais eficientes antes que possam ser eficazes em larga escala em lugares como usinas de energia ou bases militares, pesquisadores dizem.

Um pesquisador da Universidade de Michigan deu um passo em direção a esse objetivo. Ao projetar um material semicondutor no nível de seus átomos individuais, Pierre Ferdinand P. Poudeu, professor assistente de ciência de materiais e engenharia, aumentou sua capacidade de converter calor em energia em 200% e sua condutividade elétrica em 43%. Essa é uma combinação importante. Melhorar esses dois números ao mesmo tempo é um grande desafio para os pesquisadores que trabalham na área.

O material usado por Poudeu é uma liga de titânio, zircônio, níquel e estanho. Embora não seja um material termoelétrico particularmente eficaz neste momento, Poudeu diz que foi um bom teste.

"Este conceito é novo e empolgante, "Disse Poudeu." Achamos que pode ser adaptado a outros materiais também e abrir caminho para materiais termoelétricos aprimorados destinados a aplicações de conversão de energia de alto desempenho.

“Se quisermos construir geradores que convertam calor residual em eletricidade e que sejam capazes de substituir a tecnologia atual, materiais termoelétricos com eficiência muito maior precisam ser descobertos. Teremos que dobrar a eficiência normalmente alcançada hoje. "

Poudeu diz que sua abordagem de nanoengenharia pode alcançar esses ganhos se puder ser usada nos principais candidatos a sistemas de materiais termelétricos.

Sua estratégia difere de técnicas comuns baseadas em produtos químicos, como doping, em que os pesquisadores adicionam impurezas a um material hospedeiro para alterar suas propriedades eletrônicas e torná-lo mais condutor. Em materiais termoelétricos, o doping pode funcionar contra si mesmo, Contudo, porque as impurezas podem dificultar a conversão de calor em eletricidade.

Em vez de adicionar impurezas, que são normalmente elementos químicos estranhos, Poudeu introduziu átomos individuais adicionais de níquel - um dos elementos já existentes no material. Os átomos de níquel encontraram seu caminho na estrutura cristalina do material hospedeiro e preencheram uma pequena fração de seus sítios atômicos vazios. Eles formaram o que Poudeu descreve como pontos quânticos - estruturas em nanoescala que seguem as leis do quantum, ao invés de clássico, física.

As estruturas são tão pequenas, você precisaria alinhar um milhão apenas para poder vê-los sem um microscópio, Diz Poudeu.

Os pontos quânticos atuam como armadilhas, impedindo que elétrons de baixa energia reduzam a eficiência de conversão, enquanto cria um caminho para os elétrons de maior energia passarem como corrente elétrica. A adição dos pontos quânticos em um semicondutor em massa resulta em um novo material com uma estrutura eletrônica distinta, Diz Poudeu.

O artigo é intitulado "Grandes melhorias de termopotência e mobilidade de portadora em semicondutores a granel com engenharia de pontos quânticos". É publicado online no Jornal da American Chemical Society e aparecerá em uma próxima edição impressa.