Ao dopar um material termoelétrico com pequenas quantidades de enxofre, uma equipe de pesquisadores encontrou um novo caminho para grandes melhorias na eficiência de materiais para aquecimento e resfriamento de estado sólido e recaptura de energia residual. Esta abordagem altera profundamente a estrutura de banda eletrônica do material - seleneto de telureto de bismuto - melhorando a chamada "figura de mérito, "uma classificação do desempenho de um material que determina a eficiência em aplicações e abre a porta para aplicações avançadas de materiais termoelétricos para coletar calor residual de usinas de energia para chips de computador.

"Este é um avanço empolgante porque nos permite desvendar duas propriedades desfavoravelmente acopladas que limitam o desempenho termoelétrico, "disse Ganpati Ramanath, um especialista em nanomateriais, e o professor John Tod Horton '52 de Ciência e Engenharia de Materiais no Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), quem liderou a equipe. "Além disso, nossa abordagem funciona tanto para nanocristais quanto para materiais a granel, que é relevante para os aplicativos. "

Os materiais termoelétricos podem converter uma voltagem em um gradiente térmico - fazendo com que um lado de um material fique quente ou frio - e vice-versa. A eficiência com que um material é capaz de converter uma tensão em um gradiente térmico é determinada principalmente pela figura de mérito do material. Os materiais termoelétricos de última geração não são muito eficientes, limitando seu uso a aplicações de nicho, como geladeiras de piquenique, aquecedores de água domésticos, controle de temperatura do assento do carro e óculos de visão noturna. Com uma melhoria substancial na figura de mérito, materiais termoelétricos podem ser usados ​​para aplicações mais avançadas, como a coleta de calor residual em usinas de energia e motores, e resfriamento de chips de computador.

"Setenta por cento de toda perda de energia é calor. Se pudermos gerar até 5 por cento mais eletricidade desse calor residual, estaremos a caminho de causar um grande impacto na produção de energia e na redução das emissões de dióxido de carbono, "disse Theo Borca-Tasciuc, professor de engenharia mecânica na Rensselaer e um membro-chave da equipe, com especialização em física e sistemas térmicos. "A termoelétrica também pode permitir eficiência, compactar, e sistemas modulares de bomba de calor para revolucionar o ar condicionado para aplicações em carros e edifícios. "

A figura de mérito de um material termoelétrico depende de três propriedades:condutividade elétrica - a capacidade do material de conduzir elétrons; Coeficiente de Seebeck - a capacidade de conversão cruzada de eletricidade e calor; e condutividade térmica - a capacidade do material de conduzir calor. Para uma alta figura de mérito, um material teria alta condutividade elétrica, alto coeficiente de Seebeck, e baixa condutividade térmica. Uma barreira para alcançar valores elevados de mérito é que a condutividade elétrica e o coeficiente de Seebeck têm uma relação inversa; um aumenta e o outro diminui.

"Ao dopar o seleneto de telureto de bismuto com centenas de partes por milhão de enxofre, somos capazes de aumentar a condutividade elétrica e o coeficiente de Seebeck em nanocristais, bem como materiais a granel feitos de nanocristais, "Disse Ramanath. A pesquisa demonstra um aumento de até 80 por cento na figura de mérito do material a granel." Melhorias maiores poderiam ser possíveis com maior dopagem ou o uso de outros dopantes. "

“O grande desafio da geração de energia com termelétricas é conseguir alta tensão e baixa resistência ao mesmo tempo. Nosso trabalho mostra um novo e importante caminho a seguir:precisamos otimizar esse método e colocá-lo em prática, "disse David Singh, um professor da Universidade de Missouri cujos cálculos teóricos fornecem uma base para explicar os resultados observados em termos de mudanças complexas na forma da estrutura da banda eletrônica.

A pesquisa é detalhada no dia 11 de maio, 2016, edição online de Materiais avançados no artigo "Aproveitando os efeitos da banda topológica no seleneto de telureto de bismuto para grandes melhorias nas propriedades termoelétricas por meio de dopagem isovalente." O trabalho é uma colaboração entre pesquisadores da Rensselaer, Universidade de Missouri, e o Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido na Alemanha. Para este trabalho, Devender - o primeiro autor do artigo e aluno de doutorado em Ramanath - recebeu o prêmio Norman Stoloff por excelência em pesquisa de pós-graduação pelo Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais em Rensselaer. Devender atualmente trabalha na GlobalFoundries Inc.

A pesquisa de Ramanath exemplifica o trabalho que está sendo feito no The New Polytechnic, abordando desafios globais difíceis e complexos, a necessidade de colaboração interdisciplinar e verdadeira, e o uso das ferramentas e tecnologias mais recentes, muitos dos quais são desenvolvidos em Rensselaer. Sua pesquisa se concentra em nanomateriais e interfaces para aplicações em eletrônica e energia. Suas investigações incluem o desenvolvimento de novos tipos de materiais a granel e filmes finos por meio de síntese dirigida e montagem, bem como a criação de interfaces adaptadas molecularmente com propriedades novas ou únicas. As recentes descobertas de Ramanath incluem uma nova classe de nanomateriais termoelétricos - incluindo esta nova variante de seleneto de telureto de bismuto dopado com enxofre - construída a partir de conjuntos de nanoestruturas esculpidas para refrigeração de estado sólido de alta eficiência e coleta de eletricidade do calor residual, junto com camadas nanomoleculares de "nanocola" que podem unir materiais antiaderentes, inibir a mistura química, e impulsionar o transporte térmico.