Ce diagramme montre aux chercheurs comment l’énergie électrique existe dans un échantillon de Fe3Ga. Crédit: © 2020 Sakai et al

Un générateur mince à base de fer utilise la chaleur résiduelle pour fournir de petites quantités d’énergie.

Les chercheurs ont trouvé un moyen de convertir l’énergie thermique en électricité avec un matériau non toxique. Le matériau est principalement du fer qui est extrêmement bon marché compte tenu de son abondance relative. Un générateur à base de ce matériau pourrait alimenter de petits appareils tels que des capteurs à distance ou des appareils portables. Le matériau peut être mince afin qu’il puisse être façonné sous diverses formes.

Il n’y a pas de déjeuner gratuit, ni d’énergie gratuite. Mais si vos demandes d’énergie sont suffisamment faibles, par exemple dans le cas d’un petit capteur quelconque, il existe un moyen d’exploiter l’énergie thermique pour alimenter votre énergie sans fils ni piles. L’associé de recherche Akito Sakai et les membres du groupe de son laboratoire de l’Institut de Physique des Solides et du Département de Physique de l’Université de Tokyo, dirigés par le Professeur Satoru Nakatsuji, et du Département de Physique Appliquée, dirigé par le Professeur Ryotaro Arita, ont pris des mesures dans ce sens avec leur matériau thermoélectrique innovant à base de fer.

Dispositifs thermoélectriques basés sur l’effet Nernst anormal (à gauche) et l’effet Seebeck (à droite). (V) représente la direction du courant, (T) le gradient de température et (M) le champ magnétique. Crédit: © 2020 Sakai et al

« Jusqu’à présent, toute l’étude sur la génération thermoélectrique s’est concentrée sur l’effet Seebeck établi mais limité”, a déclaré Nakatsuji. « En revanche, nous nous sommes concentrés sur un phénomène relativement moins familier appelé effet Nernst anormal (ANE). »

ANE produit une tension perpendiculaire à la direction d’un gradient de température à travers la surface d’un matériau approprié. Le phénomène pourrait aider à simplifier la conception des générateurs thermoélectriques et à améliorer leur efficacité de conversion si les bons matériaux deviennent plus facilement disponibles.

Un diagramme pour montrer la structure de la bande nodale responsable de l’effet Nernst anormal. Crédit: © 2020 Sakai et al

« Nous avons fabriqué un matériau composé à 75% de fer et à 25% d’aluminium (Fe3Al) ou de gallium (Fe3Ga) par un processus appelé dopage”, a déclaré Sakai. « Cela a considérablement stimulé ANE. Nous avons vu un saut de tension de vingt fois par rapport aux échantillons non dopés, ce qui était excitant à voir. »

Ce n’est pas la première fois que l’équipe démontre l’EAN, mais des expériences antérieures ont utilisé des matériaux moins facilement disponibles et plus chers que le fer. L’attrait de ce dispositif réside en partie dans ses constituents peu coûteux et non toxiques, mais aussi dans le fait qu’il peut être réalisé sous forme de film mince afin de pouvoir être moulé pour répondre à diverses applications.

« Les structures minces et flexibles que nous pouvons maintenant créer pourraient récolter de l’énergie plus efficacement que les générateurs basés sur l’effet Seebeck”, a expliqué Sakai. « J’espère que notre découverte pourra conduire à des technologies thermoélectriques pour alimenter des appareils portables, des capteurs à distance dans des endroits inaccessibles où les batteries ne sont pas pratiques, etc. »

Avant ces derniers temps, ce type de développement en science des matériaux résultait principalement d’itérations répétées et de perfectionnements dans des expériences à la fois chronophages et coûteuses. Mais l’équipe s’est fortement appuyée sur des méthodes de calcul pour des calculs numériques réduisant efficacement le temps entre l’idée initiale et la preuve du succès.

« Les calculs numériques ont grandement contribué à notre découverte; par exemple, les calculs automatiques à grande vitesse nous ont aidés à trouver des matériaux appropriés à tester”, a déclaré Nakatsuji. « Et les premiers principes des calculs basés sur la mécanique quantique raccourcissent le processus d’analyse des structures électroniques que nous appelons réseaux nodaux, qui sont cruciaux pour nos expériences. »

« Jusqu’à présent, ce type de calcul numérique était extrêmement difficile”, a déclaré Arita. « Nous espérons donc que non seulement nos matériaux, mais aussi nos techniques de calcul pourront être des outils utiles pour les autres. Nous sommes tous désireux de voir un jour des appareils basés sur notre découverte. »

Référence: « ferromagnétiques binaires à base de fer pour la conversion thermoélectrique transversale » par Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Cane, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita et Satoru Nakatsuji, 27 avril 2020, nature.
DOI: 10.1038 / l41586-020-2230- z

Ce travail est partiellement soutenu par CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Agence Japonaise des Sciences et Technologies, par des Subventions pour la Recherche Scientifique dans des Domaines Innovants (JP15H05882 et JP15H05883) du Ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie du Japon, et par des Subventions pour la Recherche Scientifique (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) de la Société Japonaise pour la Promotion de la Science (JSPS). Le travail pour le calcul des premiers principes a été soutenu en partie par des subventions JSPS pour la Recherche scientifique sur des domaines innovants (JP18H04481 et JP19H05825) et par MEXT en tant que question prioritaire sociale et scientifique (Création de nouveaux dispositifs fonctionnels et de matériaux performants pour soutenir les industries de nouvelle génération) à aborder en utilisant l’ordinateur post-K (hp180206 et hp190169).