Une nouvelle théorie pour découvrir des matériaux thermoélectriques

Des chercheurs de l’EPFL et du NCCR MARVEL ont développé une nouvelle théorie capable de décrire et de prédire la conductivité thermique de tout matériau isolant. Les scientifiques pourront désormais définir précisément cette caractéristique dans une gamme de matériaux destinés à des applications techniques essentielles, comme l’électronique, les lasers ou la récupération de chaleur perdue. Les matériaux thermoélectriques recèlent un vaste potentiel en matière d’applications énergétiques. Ils génèrent en effet de l’électricité à partir de la chaleur perdue, comme celle découlant de processus industriels, de moteurs de voitures ou de camions, ou simplement du soleil. Réduire leur conductivité thermique d’un facteur trois, par exemple, pourrait révolutionner complètement la récupération de chaleur ainsi que toute la technologie destinée à la réfrigération et au refroidissement de l’air.

Une théorie unique pour tous les matériaux isolants

Dans l’article Unified theory of thermal transport in crystals and glasses, publié dans Nature Physics, Michele Simoncelli, un doctorant de l’EPFL du Laboratoire de théorie et simulation des matériaux (THEOS), en collaboration avec Nicola Marzari, professeur à la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur et directeur de THEOS et du NCCR MARVEL, ainsi que Francesco Mauri, professeur à l’Université de Rome–Sapienza, présentent une nouvelle théorie qui décode l’origine atomique fondamentale de la conduction thermique. Jusqu’à présent, différentes formulations devaient être utilisées selon les systèmes étudiés (p. ex. matériaux à structure ordonnée, comme une puce de silicium, ou désordonnée, comme le verre). Aucune représentation unifiée ne couvrait tous les cas possibles. C’est désormais le cas en obtenant, directement à partir de la mécanique quantique des systèmes dissipatifs, une équation maîtresse qui couvre équitablement la diffusion, les sauts et l’effet tunnel de la chaleur.

Récupération de chaleur

Cette découverte fondamentale permettra de prédire précisément la conductivité thermique de tout matériau isolant (dans les métaux, la chaleur est transportée par les électrons : un phénomène bien compris). Elle est capitale pour les matériaux thermoélectriques (qui peuvent convertir la chaleur en électricité), compte tenu de leurs propriétés analogues au cristal et au verre. Ces matériaux sont par ailleurs très utiles pour la récupération de la chaleur et la réfrigération sans émission de gaz à effet de serre (et si vous pensez que la réfrigération est dénuée d’intérêt, songez qu’Albert Einstein a consacré de nombreuses années à inventer une nouvelle forme de frigidaire). Mais avant de développer cette technologie de nouvelle génération, les scientifiques ont besoin de comprendre comment et dans quelle mesure les matériaux conduisent la chaleur. « Jusque-là, il existait deux équations différentes pour calculer les propriétés thermiques : l’une décrit parfaitement les matériaux de structure cristalline (structure atomique hautement ordonnée) et la seconde les matériaux amorphes comme le verre (structure atomique désordonnée) », explique Michele Simoncelli. « Ces deux équations fonctionnent bien dans ces cas précis. Mais entre ces deux extrêmes se situent aussi de nombreuses situations intéressantes, pour lesquelles aucune équation ne convenait. C’est précisément là où notre contribution est déterminante. » Auteur: Clara Marc

Références

Simoncelli, M., Marzari, N., & Mauri, F. (2019). Unified theory of thermal transport in crystals and glasses. Nature Physics. Advanced online publication. http://dx.doi.org/10.1038/s41567-019-0520-x