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Heat Harvesting con i nanomateriali

Heat Harvesting con i nanomateriali

I ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) hanno dimostrato che nuovi tipi di nanomateriali possono aumentare notevolmente l'efficienza dei dispositivi termoelettrici, aprendo la strada per nuove soluzioni nel campo dell'heat harvesting.

Una delle principali aspirazioni degli ingegneri e dei progettisti attenti alle problematiche legate alla produzione di energia è sempre stata quella di recuperare, almeno in parte, il calore prodotto dai circuiti elettronici, dai motori a combustione degli autoveicoli, da vari tipi di lampade e, perchè no, dal corpo umano, e convertirlo in elettricità. Per questo tipo di applicazione vengono normalmente impiegati i materiali termoelettrici, che però sino ad ora sono stati caratterizzati da un'efficienza così bassa da limitarne l'utilizzo a poche applicazioni di nicchia.

Il loro costo, inoltre, è non trascurabile, in quanto è spesso necessario ricorrere a materie prime rare e spesso anche dannose per l'ambiente. Recentemente, tuttavia, i ricercatori del Caltech di Pasadena (California) hanno scoperto dei nuovi materiali in grado di aumentare considerevolmente l'efficienza dei dispositivi termoelettrici. Un buon materiale termoelettrico è caratterizzato principalmente da due fattori: è un ottimo conduttore di elettricità ma un cattivo conduttore di calore.

Il problema è che la maggiorparte dei materiali buoni conduttori di elettricità finora noti sono anche buoni conduttori di calore. I ricercatori del Caltech, guidati dal professore James Heath, hanno avuto il merito di essere riusciti a dimostrare l'esistenza di nanomateriali (tra cui il silicio) con i quali si può rompere il legame tra conducibilità termica ed elettrica.

Già nel 2008, infatti, il gruppo di ricercatori guidati da Heath aveva scoperto che gli array di nanowire in silicio hanno un'elevata attitudine a convertire il calore in elettricità, proprio come i più sofisticati e costosi materiali termoelettrici. Il nuovo materiale, detto anche nanomesh, è composto da una sottile pellicola con tanti piccoli forellini disposti a formare una griglia regolare (si osservi l'immagine seguente).

Questo particolare tipo di struttura offre una resistenza molto elevata alla trasmissione del calore, abbassando la conducibilità termica del materiale ad un valore prossimo al limite teorico del silicio. Allo stesso tempo, il particolare disegno della struttura permette la trasmissione dell'elettricità come nel normale silicio. Ricordiamo inoltre che il silicio è il secondo elemento più abbondante sulla crosta terrestre e quindi ha un costo relativamente basso. La trasmissione del calore all'interno di un materiale qualsiasi avviene per mezzo dei fononi, pacchetti quantizzati di vibrazioni, che sono l'equivalente dei fotoni (pacchetti quantizzati di luce) nel caso della trasmissione ottica.

I fononi, attraversando un materiale, liberano calore passando da un punto all'altro del materiale stesso. I nanowire di tipo tradizionale, a causa della loro particolare forma e struttura, dispongono di un'enorme quantità di superficie in rapporto al proprio volume, causando un'elevata dispersione dei fononi ed una conseguente scarsa conducibilità termica. Tuttavia, c'è un limite allo spessore minimo dei nanowire: se infatti si diminuisce eccessivamente lo spessore, anche gli elettroni avranno attitudine a disperdersi e perciò peggiorerà la conducibilità elettrica.

Per risolvere questo problema, i ricercatori del Caltech hanno appunto realizzato il nuovo materiale (nanomesh) partendo da un foglio di silicio dello spessore di 22nm. I nanomesh differiscono dai nanowire perchè anzichè disperdere i fononi, li rallentano. La conducibilità elettrica del nanomesh rimane comparabile a quella del silicio, mentre la sua conducibilità termica è ridotta fino a quasi il limite teorico inferiore del silicio (ed i ricercatori contano di ridurlo ulteriormente provando altri materiali e/o diverse disposizioni dei forellini).

Molto interessante l'immagine seguente prodotta da un microscopio a scansione elettronica. Nella parte superiore è ben visibile la griglia di sottili forellini creata sul materiale nanomesh, mentre in quella inferiore ogni sfera rappresenta un atomo di silicio presente all'interno del nanomesh (sono ben visibili i fori praticati sullo stesso). Le bande colorate evidenziano le differenze di temperatura sul materiale, dove il rosso corrisponde alle zone più calde ed il blu a quelle più fredde.

Caltech Heat Group

 

 

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ritratto di Matty

Veramente molto

Veramente molto interessante, soprattutto pensando a tutto lo spreco in calore che c'è al giorno d'oggi!

 

 

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