Di Francesco Meneguzzo
Uno studio pubblicato il 27 marzo su Nature Communications, individua in alcuni ossidi artificiali la capacità di sfruttare in maniera mai rilevata finora l’effetto termoelettrico, cioè la proprietà che permette a un materiale di convertire il calore in energia elettrica.
La pubblicazione è frutto di una ricerca congiunta italo-svizzeracoordinata dal Consiglio nazionale delle ricerche – Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (Cnr-Spin, Genova) e Istituto officina dei materiali (Iom, Cagliari) – e dall’Università di Genova, che ha visto la partecipazione da parte elvetica dell’Università di Ginevra.
Noto anche come “effetto Seebeck”, il potere termoelettrico permette di generare energia elettrica grazie a una differenza di temperatura tra due punti di un materiale: sebbene sia una proprietà osservabile in quasi tutti i materiali conosciuti, l’efficacia è relativamente debole e, sinora solo il 10% dell’energia dispersa in calore può essere recuperata.
Termocoppie: schema generale (in alto) ed esempio commerciale (in basso)
L’effetto Seebeck è ampiamente utilizzato, per esempio, per la realizzazione delle termocoppie, in cui due giunzioni – o fili – costituiti da metalli differenti sono uniti in un punto: a qualsiasi data temperatura, ai capi delle due giunzioni si generano potenziali elettrici diversi ed è proprio la misura di questa differenza di potenziale, accurata e traducibile in un segnale elettrico, che – opportunamente trasformata secondo coefficienti noti – fornisce la misura della temperatura.
Lo studio italo-svizzero mostra che, ingegnerizzando le proprietà dei materiali su scala nanometrica (cioè appena oltre il livello molecolare, dell’ordine dei decimillesimi di millimetro o meno) si possono ottenerevalori record di termoelettricità a basse temperature, aprendo la strada anche ad applicazioni di potenza.
Se fino ad oggi, infatti, la scarsa disponibilità di materiali ad alto coefficiente di conversione energetica ne ha limitato l’utilizzo ad alcuni specifici settori, come quello delle sonde spaziali o alcune particolari tipologie difrigoriferi per vini, in futuro disporre di una nuova classe di materiali altamente performanti ed economici potrebbe estenderne significativamente l’uso in ambito industriale, migliorando la resa di dispositivi quali processori di computer e motori per auto.
La ricerca ha rivelato, in particolare, un grande potenziale per la famiglia degli ossidiche – oltre a presentare un elevato coefficiente di conversione energetica – sono in grado di sopportare temperature molto alte e non sono tossici. “Misure a bassa temperatura sull’interfaccia tra due ossidi isolanti ci hanno permesso di rivelare valori enormi di termoelettricità”, spiega Jean-Marc Triscone del Dipartimento di Fisica della materia quantistica dell’Università di Ginevra.
Si ricordi che gli ossidi sono composti chimici binari ottenuti dall’ossidazione dell’ossigeno su un altro elemento e sono estremamente diffusi sulla superficie terrestre quali costituenti base di molti minerali: per esempio, la magnetite è un ossido misto di ferro, la silice è un ossido di silicio.
Struttura dell’ossido SrTiO3 (Titanato di Stronzio)
Lo studio, coordinato da Daniele Marré (Università di Genova e Cnr-Spin) ha avuto anche importanti ricadute per la comprensione delle proprietà fisiche di questi materiali: è stata rivelata infatti, in maniera del tutto sorprendente, lapresenza di elettroni intrappolati nel materiale. “Questo stato elettronico è stato cercato in sistemi artificiali per lungo tempo senza avere conferma sperimentale con altre tecniche”, aggiunge Ilaria Pallecchi (Cnr-Spin), che ha eseguito le misure, “e la sua interpretazione è stata resa possibile anche grazie al modello teorico sviluppato da Alessio Filippetti dell’Istituto officina dei materiali (Iom) del Cnr di Cagliari”.
Il fatto che i materiali utilizzati siano piuttosto comuni, facili da reperire ed economici, nonché conosciuti da lunghissimo tempo non deve sorprendere: le proprietà che emergono alla scala nanometrica, in cui gli effetti di superficie prevalgono su quelli di volume possono rivelarsi del tutto diverse da quelle dei materiali allo stato naturale, cioè macroscopico. Questa è l’essenza delle nanotecnologie.
La sfida futura sarà ottimizzare le proprietà di questi materiali in modo da realizzare strutture artificiali dotate di elevati coefficienti termoelettrici a temperatura ambiente e oltre.
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