Les aimants alternatifs bidimensionnels pourraient alimenter la récupération de chaleur résiduelle

Shubham Singh

Les aimants alternatifs bidimensionnels capables de convertir une différence de température en électricité pourraient contribuer à récupérer la chaleur résiduelle à basse température.

Une étude menée par l’université KAUST démontre que des monocouches à base de vanadium dotées de propriétés magnétiques non conventionnelles pourraient contribuer à transformer la chaleur industrielle résiduelle à basse température en énergie électrique[1].

La récupération de la chaleur résiduelle repose sur des technologies spécialement conçues pour la source de chaleur résiduelle. Les technologies existantes vont de la production de vapeur aux générateurs thermoélectriques. Cependant, la chaleur résiduelle à basse température (généralement inférieure à 500 K et représentant plus de la moitié de toute la chaleur résiduelle industrielle) est plus difficile à récupérer que la chaleur résiduelle à haute température.

Les matériaux thermoélectriques convertissent une différence de température en électricité, offrant ainsi une solution prometteuse pour la production d’électricité. Cependant, les dispositifs existants à faible rendement pour la chaleur résiduelle à basse température ne sont utiles que pour des applications de niche, où la fiabilité, la faible maintenance et l’indépendance énergétique sont essentielles, comme dans les réseaux de capteurs sans fil dans les usines et les équipements à faible consommation d’énergie dans les endroits isolés.

Le magnétisme peut fortement influencer les propriétés de transport électronique et thermique des matériaux. Il peut découpler les coefficients de transport électronique afin d’augmenter le rendement thermoélectrique, ou facteur de mérite. Il peut également augmenter l’efficacité thermoélectrique en favorisant les vibrations du réseau cristallin, appelées phonons, qui sont des quasi-particules transportant la chaleur, ce qui entrave le transfert de chaleur.

Les nouveaux aimants alternatifs, qui présentent une structure de bande électronique à spin divisé, ce qui signifie que les niveaux d’énergie des électrons diffèrent en fonction de leur direction de spin, et une magnétisation nulle, ont suscité beaucoup d’intérêt en raison de leurs propriétés magnétiques inhabituelles. Cependant, leur comportement thermoélectrique n’est pas clair.

Aujourd’hui, Udo Schwingenschlogl et ses collègues de la KAUST ont utilisé des calculs numériques pour mieux comprendre le potentiel des aimants alternatifs bidimensionnels en tant que matériaux thermoélectriques. Ils ont étudié la monocouche d’oxyséléniure de vanadium V2Se2O et son dérivé asymétrique, ou Janus, dans lequel des atomes de tellure remplacent un atome de sélénium sur deux.

« Le principal défi consistait à saisir le couplage complexe entre l’ordre de spin, les vibrations du réseau cristallin et le transport de chaleur dans un matériau bidimensionnel », déclare M. Schwingenschlogl.

Pour traiter ensemble ces aspects profondément liés, les chercheurs ont combiné des simulations avancées basées sur les principes fondamentaux avec l’équation de transport de Boltzmann pour les phonons afin d’évaluer le transport thermique du réseau cristallin. « Cela a nécessité des calculs importants, mais était essentiel pour obtenir des prévisions fiables », ajoute t-il.

Les chercheurs ont montré que les structures Janus et les altermagnets constituent une combinaison puissante pour régler le transport de charge et de chaleur. Le dérivé Janus présentait des vitesses de groupe phonon plus faibles, ce qui indique un transfert de chaleur plus lent, et des taux de diffusion phonon-phonon plus élevés que son homologue symétrique, conséquence de l’incorporation d’atomes de tellure plus lourds dans sa structure.

« Il en résulte une réduction substantielle de 19 fois de la conductivité thermique du réseau cristallin et permet une production d’énergie thermoélectrique efficace », explique Shubham Singh, doctorant dans le groupe de Schwingenschlogl et premier auteur de l’étude.

Par exemple, le dérivé Janus a affiché un facteur de mérite élevé de 2,7 à 500 K, surpassant les matériaux commerciaux à base de plomb et de bismuth. Le rendement thermoélectrique élevé à 500 K et en dessous signifie que le matériau est adapté à la récupération de chaleur résiduelle à basse température.

Les chercheurs explorent d’autres aimants Janus afin d’identifier des matériaux thermoélectriques efficaces et réalisables expérimentalement.

Ils prévoient également de collaborer avec des groupes expérimentaux afin de traduire ces prévisions en dispositifs fonctionnels. Une intégration pratique impliquerait la croissance des monocouches et leur assemblage en modules thermoélectriques. Grâce à leurs propriétés uniques, ces modules compléteraient les systèmes existants en ciblant le régime à basse température.

Singh, S., Rout, P. C., Ghadiyali, M. & Schwingenschlögl, U. V₂Se₂O and Janus V₂SeTeO: Monolayer altermagnets for the thermoelectric recovery of low-temperature waste heat. Materials Science and Engineering R: Reports 166, 101017 (2025).| article.

Source : KAUST