Questo diagramma mostra ai ricercatori come l’energia elettrica esiste in un campione di Fe3Ga. Credit: © 2020 Sakai et al

Un sottile generatore a base di ferro utilizza il calore di scarto per fornire piccole quantità di energia.

I ricercatori hanno trovato un modo per convertire l’energia termica in elettricità con un materiale non tossico. Il materiale è per lo più ferro che è estremamente economico data la sua relativa abbondanza. Un generatore basato su questo materiale potrebbe alimentare piccoli dispositivi come sensori remoti o dispositivi indossabili. Il materiale può essere sottile in modo che possa essere modellato in varie forme.

Non esiste un pranzo gratuito o un’energia libera. Ma se le tue richieste di energia sono abbastanza basse, ad esempio nel caso di un piccolo sensore di qualche tipo, allora c’è un modo per sfruttare l’energia termica per fornire il tuo potere senza fili o batterie. Il ricercatore Akito Sakai e i membri del suo laboratorio presso l’Istituto di fisica dello Stato solido dell’Università di Tokyo e il Dipartimento di Fisica, guidati dal professor Satoru Nakatsuji, e dal Dipartimento di Fisica Applicata, guidato dal professor Ryotaro Arita, hanno compiuto passi verso questo obiettivo con il loro innovativo materiale termoelettrico a base di ferro.

Dispositivi termoelettrici basati sull’effetto anomalo Nernst (a sinistra) e sull’effetto Seebeck (a destra). (V) rappresenta la direzione della corrente, (T) il gradiente di temperatura e (M) il campo magnetico. Credit: © 2020 Sakai et al

“Finora, tutto lo studio sulla generazione termoelettrica si è concentrato sull’effetto Seebeck stabilito ma limitato”, ha detto Nakatsuji. “Al contrario, ci siamo concentrati su un fenomeno relativamente meno familiare chiamato effetto Nernst anomalo (ANE).”

ANE produce una tensione perpendicolare alla direzione di un gradiente di temperatura sulla superficie di un materiale adatto. Il fenomeno potrebbe aiutare a semplificare la progettazione dei generatori termoelettrici e migliorare la loro efficienza di conversione se i materiali giusti diventano più facilmente disponibili.

Un diagramma per mostrare la struttura web nodale responsabile dell’effetto Nernst anomalo. Credit: © 2020 Sakai et al

“Abbiamo realizzato un materiale che è il 75% di ferro e il 25% di alluminio (Fe3Al) o gallio (Fe3Ga) con un processo chiamato doping”, ha detto Sakai. “Questo ha notevolmente potenziato ANE. Abbiamo visto un ventuplo salto di tensione rispetto ai campioni non perforati, che è stato emozionante da vedere.”

Questa non è la prima volta che il team ha dimostrato ANE, ma precedenti esperimenti utilizzati materiali meno facilmente disponibili e più costosi di ferro. L’attrazione di questo dispositivo è in parte i suoi costituenti a basso costo e non tossici, ma anche il fatto che può essere realizzato in una forma a film sottile in modo che possa essere modellato per adattarsi a varie applicazioni.

“Le strutture sottili e flessibili che possiamo ora creare potrebbero raccogliere energia in modo più efficiente rispetto ai generatori basati sull’effetto Seebeck”, ha spiegato Sakai. “Spero che la nostra scoperta possa portare a tecnologie termoelettriche per alimentare dispositivi indossabili, sensori remoti in luoghi inaccessibili dove le batterie non sono pratiche e altro ancora.”

Prima di tempi recenti, questo tipo di sviluppo nella scienza dei materiali sarebbe dovuto principalmente a ripetute iterazioni e perfezionamenti in esperimenti che richiedevano sia tempo che costi. Ma il team ha fatto molto affidamento sui metodi computazionali per i calcoli numerici riducendo efficacemente il tempo tra l’idea iniziale e la prova del successo.

“I calcoli numerici hanno contribuito notevolmente alla nostra scoperta; ad esempio, i calcoli automatici ad alta velocità ci hanno aiutato a trovare materiali adatti per testare”, ha affermato Nakatsuji. “E primi principi calcoli basati sulla meccanica quantistica scorciatoia il processo di analisi delle strutture elettroniche che chiamiamo ragnatele nodali che sono cruciali per i nostri esperimenti.”

” Fino ad ora questo tipo di calcolo numerico era proibitivamente difficile”, ha detto Arita. “Quindi speriamo che non solo i nostri materiali, ma le nostre tecniche computazionali possano essere strumenti utili anche per gli altri. Siamo tutti desiderosi di vedere un giorno i dispositivi basati sulla nostra scoperta.”

Riferimento: “Ferromagneti binari a base di ferro per la conversione termoelettrica trasversale” di 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 e Satoru Nakatsuji, 27 aprile 2020, nature.
DOI: 10 .1038/s41586-020-2230-z

Questo lavoro è parzialmente supportato dalla CRESTA (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Giappone Scienza e della Tecnologia Agenzia, da Borse di studio-in-Aids per la Ricerca Scientifica in Settori Innovativi (JP15H05882 e JP15H05883) dal Ministero della pubblica Istruzione, Cultura, Sport, Scienza e Tecnologia del Giappone, e da Grants-in-Aid per la Ricerca Scientifica (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) dalla Japanese Society for the Promotion of Science (JSPS). Il lavoro per il calcolo dei primi principi è stato sostenuto in parte da sovvenzioni JSPS per la ricerca scientifica in settori innovativi (JP18H04481 e JP19H05825) e da MEXT come questione prioritaria sociale e scientifica (Creazione di nuovi dispositivi funzionali e materiali ad alte prestazioni per sostenere le industrie di prossima generazione) da affrontare utilizzando il computer post-K (hp180206 e hp190169).