Addio alla dispersione del calore in elettronica: questo cristallo giapponese promette di riconvertirlo in energia

Un gruppo di ricerca dell'Institute of Science di Tokyo ha sviluppato il TlFe1.6Se2, un nuovo materiale termoelettrico che potrebbe migliorare il recupero del calore disperso da fabbriche, automobili, centrali elettriche e forni industriali. Il risultato più rilevante riguarda la combinazione di alta capacità di condurre l'elettricità e un bassissimo coefficiente di trasferimento termico, due proprietà che normalmente risultano difficili da ottenere nello stesso materiale.

La ricerca, pubblicata sul Journal of Materials Chemistry A, propone una strategia diversa rispetto ai tradizionali materiali termoelettrici: invece di ottimizzare composti già esistenti, i ricercatori hanno incorporato le proprietà di materiali atomici sottilissimi all'interno di un cristallo tridimensionale utilizzabile in applicazioni pratiche.

Il nuovo cristallo è composto da tallio, ferro e selenio e presenta una struttura a strati. All'interno del materiale sono inseriti periodicamente strati atomici di seleniuro di ferro (FeSe), noti per le loro eccezionali proprietà elettroniche quando ridotti a spessori di pochi atomi.

I film ultrathin di FeSe avevano già mostrato un fattore di potenza termoelettrica molto elevato, ma la loro fragilità e difficoltà di integrazione ne limitavano l'uso pratico. Con il TlFe1.6Se2, il team guidato dal professor Takayoshi Katase è riuscito a riprodurre parte di quel comportamento all'interno di un cristallo solido e maneggiabile.

Uno degli aspetti più impressionanti del materiale riguarda la conducibilità termica, che a circa 180 °C scende fino a 0,2 W m-1 K-1. Si tratta di un valore paragonabile o addirittura inferiore a quello dei migliori materiali termoelettrici attualmente disponibili.

Questo risultato deriva dalla presenza di vacanze di ferro ordinate all'interno degli strati di FeSe. L'assenza controllata di alcuni atomi di ferro distorce i legami atomici e disperde i fononi, le vibrazioni responsabili del trasporto del calore. Anche gli atomi pesanti di tallio e la struttura complessa a strati contribuiscono a rallentare ulteriormente la propagazione del calore.

A circa 180 °C il cristallo subisce inoltre una transizione reversibile da una fase con vacanze di ferro ordinate a una fase disordinata. Questo cambiamento aumenta ulteriormente la dispersione dei fononi e riduce la capacità del materiale di trasportare calore.

Le vacanze di ferro non influenzano solo il trasporto termico, ma anche quello elettrico. Nella fase ordinata, il coefficiente di Seebeck supera 100 μV K-1, generando un fattore di potenza termoelettrica circa cinque volte superiore rispetto alla fase disordinata.

In pratica, il materiale riesce a mantenere una forte differenza di temperatura tra i due lati del cristallo, condizione essenziale per convertire il calore in elettricità. Questo equilibrio tra alta conducibilità elettrica e bassa conducibilità termica rappresenta uno dei principali ostacoli nella progettazione di dispositivi termoelettrici efficienti.

Per il momento, i risultati sono stati ottenuti in laboratorio. Prima di un impiego reale in centrali, motori o impianti industriali, sarà necessario verificare efficienza complessiva di conversione, stabilità a lungo termine, resistenza meccanica e scalabilità produttiva.

Un ulteriore aspetto da considerare riguarda la presenza del tallio, elemento altamente tossico che richiederà sistemi di contenimento e gestione sicuri. Nonostante queste criticità, i ricercatori ritengono che la stessa strategia possa essere estesa ad altri composti basati su FeSe contenenti potassio, rubidio o cesio, aprendo nuove prospettive per i materiali termoelettrici di prossima generazione.