Des chercheurs impriment en 3D des matériaux thermoélectriques durables et performants

La gestion rapide et localisée de la chaleur est essentielle pour les appareils électroniques et pourrait avoir des applications allant des matériaux portables au traitement des brûlures. Les matériaux dits thermoélectriques convertissent les différences de température en tension électrique et vice versa, mais leur efficacité est souvent limitée et leur production est coûteuse et peu rentable.

Dans un nouvel article publié dans Science, des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies Autriche (ISTA) ont utilisé une technique d’impression 3D pour fabriquer des matériaux thermoélectriques de haute performance, réduisant ainsi considérablement les coûts de production.

Les refroidisseurs thermoélectriques, également appelés réfrigérateurs à l’état solide, peuvent induire un refroidissement localisé en utilisant un courant électrique pour transférer la chaleur d’un côté à l’autre de l’appareil. Leur longue durée de vie, leur invulnérabilité aux fuites, leur taille et leur forme ajustables et l’absence de pièces mobiles (telles que des liquides en circulation) font de ces dispositifs des solutions idéales pour diverses applications de refroidissement, notamment dans le domaine de l’électronique. Cependant, leur fabrication à partir de lingots est associée à des coûts élevés et génère de nombreux déchets de matériaux. En outre, les performances de ces dispositifs restent limitées.

Aujourd’hui, une équipe dirigée par Maria Ibáñez, professeur de sciences énergétiques à Verbund et directrice du laboratoire thermoélectrique Werner Siemens, avec Shengduo Xu, premier auteur et postdoc à l’Institut des sciences et technologies Autriche (ISTA), a développé des matériaux thermoélectriques de haute performance à partir de l’imprimante 3D et les a utilisés pour construire un refroidisseur thermoélectrique. « Notre intégration innovante de l’impression 3D dans la fabrication de refroidisseurs thermoélectriques améliore considérablement l’efficacité de la fabrication et réduit les coûts », explique M. Xu.

De plus, contrairement aux tentatives précédentes d’impression 3D de matériaux thermoélectriques, la présente méthode permet d’obtenir des matériaux aux performances considérablement plus élevées. Le professeur Ibáñez de l’ISTA ajoute : « Avec des performances de niveau commercial, nos travaux ont le potentiel d’aller au-delà du monde universitaire, d’avoir une pertinence pratique et d’attirer l’intérêt des industries à la recherche d’applications concrètes. »

Repousser les limites des technologies thermoélectriques

Si tous les matériaux présentent un certain effet thermoélectrique, celui-ci est souvent trop négligeable pour être utile. Les matériaux présentant un effet thermoélectrique suffisamment élevé sont généralement des « semi-conducteurs dégénérés », c’est-à-dire des semi-conducteurs « dopés », dans lesquels des impuretés sont introduites intentionnellement pour qu’ils se comportent comme des conducteurs. Les refroidisseurs thermoélectriques actuels sont produits à l’aide de techniques de fabrication basées sur des lingots – des procédures coûteuses et gourmandes en énergie qui nécessitent des processus d’usinage importants après la production, où beaucoup de matériau est gaspillé.

« Notre travail actuel nous permet d’imprimer en 3D exactement la forme requise des matériaux thermoélectriques. En outre, les dispositifs résultants présentent un effet de refroidissement net de 50 degrés dans l’air. Cela signifie que nos matériaux imprimés en 3D ont des performances similaires à celles de matériaux beaucoup plus coûteux à fabriquer », détaille M. Xu. L’équipe de spécialistes des matériaux de l’ISTA propose donc une méthode de production évolutive et rentable pour les matériaux thermoélectriques, en contournant les étapes longues et coûteuses en énergie.

Matériaux imprimés avec liaison optimisée des particules

En plus d’appliquer les techniques d’impression 3D à la production de matériaux thermoélectriques, l’équipe a conçu les encres de manière à ce que, lorsque le solvant porteur s’évapore, des liaisons atomiques efficaces et robustes se forment entre les grains, créant ainsi un réseau de matériaux connectés au niveau atomique. Par conséquent, les liaisons chimiques interfaciales améliorent le transfert de charge entre les grains. Cela explique comment l’équipe a réussi à améliorer les performances thermoélectriques de ses matériaux imprimés en 3D, tout en apportant un nouvel éclairage sur les propriétés de transport des matériaux poreux. « Nous avons utilisé une technique d’impression 3D par extrusion et conçu la formulation de l’encre de manière à garantir l’intégrité de la structure imprimée et à renforcer la liaison entre les particules. Cela nous a permis de produire les premiers refroidisseurs thermoélectriques à partir de matériaux imprimés, avec des performances comparables à celles des dispositifs à base de lingots, tout en économisant du matériau et de l’énergie », ajoute M. Ibáñez.

Applications médicales, collecte d’énergie et développement durable

Au-delà de la gestion rapide de la chaleur dans les appareils électroniques et les dispositifs portables, les refroidisseurs thermoélectriques pourraient avoir des applications médicales, notamment pour le traitement des brûlures et le soulagement des tensions musculaires. En outre, la méthode de formulation de l’encre mise au point par l’équipe de scientifiques de l’ISTA peut être adaptée à d’autres matériaux pour être utilisée dans des générateurs thermoélectriques à haute température, c’est-à-dire des dispositifs capables de générer une tension électrique à partir d’une différence de température.

Selon l’équipe, une telle approche pourrait élargir l’applicabilité des générateurs thermoélectriques dans divers systèmes de collecte d’énergie résiduelle.

« Nous avons réussi à mettre en œuvre une approche à cycle complet, depuis l’optimisation des performances thermoélectriques des matières premières jusqu’à la fabrication d’un produit final stable et performant », conclut M. Ibáñez.

M. Xu ajoute : « Notre travail offre une solution transformatrice pour la production de dispositifs thermoélectriques et annonce une nouvelle ère de production efficace et durable d’énergie thermoélectrique. »

Légende illustration : Impression de pastilles utilisées pour la mesure des propriétés thermoélectriques. © WSS, photo : Felix Wey, Baden

Shengduo Xu, Sharona Horta, Abayomi Lawal, Krishnendu Maji, Magali Lorion & Maria Ibáñez. 2025. Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials. Science. DOI: 10.1126/science.ads0426

Source : ISTA