Des chercheurs de l’EPFL ont réalisé une avancée dans le domaine des matériaux thermoélectriques pour mieux utiliser la chaleur résiduelle et produire de l’énergie durable. Leurs travaux de modélisation ont révélé les principes fondamentaux régissant la conduction thermique, ouvrant la voie à une meilleure sélection des matériaux.
Environ 70% de l’énergie consommée au quotidien est perdue sous forme de chaleur résiduelle, produite par les moteurs, les usines et les appareils électriques.
Des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont fait une découverte importante qui pourrait favoriser la production d’énergie durable. Les travaux de modélisation menés par le Laboratoire de théorie et simulation des matériaux (THEOS) ont révélé les théories fondamentales régissant la conduction thermique dans les matériaux thermoélectriques. Cette avancée ouvre la voie à une meilleure sélection des matériaux et à des processus de découverte plus rapides et économiques.
Publiée dans Physical Review Research, cette découverte pourrait contribuer à une économie plus écologique.
Les dispositifs thermoélectriques convertissent la chaleur résiduelle en électricité et sont de plus en plus utilisés pour améliorer la durabilité énergétique. Cependant, l’optimisation de leur rendement se heurtait à l’absence de théories fondamentales sur la conduction thermique dans les matériaux à faible conductivité. La physique computationnelle, utilisant des simulations puissantes, permet d’élucider les principes physiques régissant ces matériaux.
Percée dans la compréhension des « skuttérudites »
Pour percer le mystère, l’équipe de l’EPFL s’est penchée sur une classe de cristaux appelée « skuttérudites ». Connues pour être prometteuses en thermoélectricité, elles voient leur rendement augmenter lorsqu’on leur ajoute des atomes supplémentaires. Grâce à leur nouveau modèle, les chercheurs ont prédit avec précision la réduction de la conduction thermique.
Cette découverte réside dans le fait que le modèle met en lumière un mécanisme quantique inattendu. « Pour la première fois, nous avons découvert que ces atomes provoquent une transition dans la conduction de la chaleur, passant d’un mode particulaire à un effet tunnel ondulatoire », explique Enrico Di Lucente.
Le modèle ouvre la voie à la conception de nouveaux matériaux à ultra faible conductivité thermique, ce qui rapproche d’une économie moins énergivore.
Vers une meilleure sélection des matériaux
« Pour la première fois, nous avons découvert que ces atomes rattlers provoquent une transition dans la manière dont la chaleur est conduite à l’intérieur des cristaux, passant d’une conduction de type particulaire à un effet tunnel de type ondulatoire », indique Enrico Di Lucente.
Le nouveau modèle de calcul permet de concevoir de nouveaux matériaux sans tests empiriques coûteux, améliorant ainsi la sélection et l’optimisation des matériaux thermoélectriques.
En synthèse
Les travaux de modélisation menés à l’EPFL ont permis de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux régissant la conduction thermique dans les matériaux thermoélectriques. Cette avancée ouvre des perspectives prometteuses pour améliorer la sélection et l’optimisation de ces matériaux, essentiels pour convertir la chaleur résiduelle en électricité durable.
Pour une meilleure compréhension
Quelle est la découverte des chercheurs de l’EPFL ?
Ils ont révélé les théories fondamentales régissant la conduction thermique dans les matériaux thermoélectriques, ouvrant la voie à une meilleure sélection des matériaux.
En quoi consistent les matériaux thermoélectriques ?
Ce sont des matériaux qui convertissent la chaleur résiduelle en électricité durable. Leur optimisation est cruciale pour une économie moins énergivore.
Comment ont-ils fait cette découverte ?
Grâce à des travaux de modélisation et de simulation sur ordinateur révélant les principes physiques fondamentaux de ces matériaux.
Quels sont les cristaux étudiés ?
Des cristaux appelés « skuttérudites », prometteurs en thermoélectricité et dont le modèle a prédit précisément le comportement.
Quel est l’intérêt de cette découverte ?
Elle ouvre la voie à de nouveaux matériaux sans tests empiriques coûteux, pour une économie plus durable.
Référence: Enrico Di Lucente, Michele Simoncelli, and Nicola Marzari, Crossover from Boltzmann to Wigner thermal transport in thermoelectric skutterudites. Physics Review Research (2023). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.00.003000
Article adapté de l’auteur Michael David Mitchell
