19/01/2016 - Ils identifient la première molécule bi-thermo-électrique

Menéame

Plus de la moitié de l'énergie mondiale est gaspillée sous forme de chaleur. Les matériaux thermoélectriques, qui transforment directement la chaleur en électricité, sont une solution idéale pour la récupération d'une partie de cette chaleur résiduelle. Toutefois, les matériaux actuellement disponibles ont un rendement limité, un coût élevé et une toxicité excessive.

La recherche de matériaux thermoélectriques organiques à faible coût, efficaces et respectueux de l'environnement constitue un domaine de recherche actif, dont les résultats pourraient avoir un impact considérable sur notre société.

El effet Seebeck thermoélectrique est constitué par l'apparition d'une différence de tension entre les extrémités d'un matériau lorsqu'une différence de température entre les deux côtés est appliquée.

Le coefficient thermoélectrique ou coefficient Seebeck est une mesure de tension qui apparaît par degré de température appliquée et son signe dépend des porteurs de charge dans le système (électrons ou creux).

Ce phénomène est également présent sur l'échelle nanométrique, mais pour le comprendre, il faut recourir à la mécanique quantique. En particulier, il est possible d'étudier les propriétés thermoélectriques des liaisons moléculaires constituées d'une molécule unique reliée entre deux électrodes qui sont maintenues à des températures différentes. Les propriétés de ces systèmes dépendent de la nature chimique des molécules utilisées et le signe du coefficient thermoélectrique fournit des informations très précieuses sur le type de transport qui se produit à travers la molécule.

Fullérènes bi-thermoélectriques

Des recherches récentes montrent que certaines molécules, en particulier certains fullérènes endohédriques, sont des systèmes bi-thermo-électriques, c'est-à-dire des molécules qui peuvent avoir un coefficient Seebeck aussi bien positif que négatif selon leur orientation et où il est possible de modifier leur valeur en exerçant une pression sur elles.

Les fullérènes endohédriques sont des molécules formées par un fullérène (composé d'atomes de carbone ordonnés dans une structure similaire à celle d'un ballon de football), à l'intérieur duquel une autre molécule est introduite par synthèse chimique. Dans le cas de la molécule Sc3N@C80, le fullerène a 80 atomes de carbone et il y a à l'intérieur une molécule métallique composée de trois atomes de scandium attachés à un atome d'azote.

Un microscope à effet tunnel (ou STM) a été utilisé pour étudier les propriétés de transport en molécules individuelles. Le STM est un outil très puissant qui permet, en utilisant une pointe d'or comme électrode, de visualiser les molécules déposées sur une surface également en or (deuxième électrode) et ensuite de les toucher et de caractériser le transport électrique. En outre, en chauffant la pointe du STM environ 40°C au-dessus de la température ambiante, et en établissant une différence de température entre les deux électrodes, il est possible de mesurer thermoélectricité dans des liaisons moléculaires individuelles.

Les unions moléculaires formées par Sc3N@C80 présentent un comportement thermoélectrique différent avec des porteurs de charge négative (électrons), car ceux-ci se déplacent dans un sens ou dans un autre, selon l'orientation de chaque molécule.

En outre, il est possible de modifier les propriétés de transport de ces molécules en exerçant une pression sur elles avec la pointe du STM.

"L'orientation des molécules sur la surface d'or détermine que le courant électrique passe dans l'un ou l'autre sens, ce qui fixe le signe du coefficient Seebeck; et, par la pression, on constate que la valeur de ce coefficient devient toujours plus négative. Ainsi, si votre valeur est initialement positive, un changement de signe peut se produire en exerçant une pression. La clé de ce comportement si particulier est l'apparition d'une résonance de transport située dans la molécule métallique dans le fullerène et à laquelle sont sensibles les électrons qui passent par la molécule," expliquent les membres de l'équipe.

Cette découverte ouvre la porte à l'étude d'un nouveau type de matériaux qui peut permettre d'importants progrès dans les applications technologiques de récupération de chaleur, de capteurs ou de systèmes de refroidissement.

Étant un seul matériau, qui présente les deux comportements thermoélectriques, il peut être plus facile d'éliminer les problèmes d'accouchage, car il ne nécessite que le développement de surfaces appropriées qui permettent de fixer, de préférence, l'orientation des molécules.

 L'objectif est d'obtenir des matériaux adéquats, avec une efficacité optimale, de sorte que l'utilisation de dispositifs thermoélectriques contribue à relever le grand défi que représentent les pertes énergétiques élevées actuelles.

Les résultats obtenus, qui combinent recherche expérimentale et calculs théoriques, ont été publiés dans la revue Nature Materials.

Les physiciens du Centre de Recherche de Physique de la Matière Condensée (IFIMAC) de l'Université Autonome de Madrid (UAM) et de l'Institut Madrileño de Estudios Avanzados IMDEA-Nanosciencia: Laura Rincón García, Dr. Charalambos Evangeli, le Prof. Gabino Rubio Bollinger et le Prof. Nicolas Agrait, en collaboration avec des groupes de l'Université de Lancaster (Prof. Colin J. Lambert) et de l'Université d'Oxford (Dr. Kyriakos Porfyrakis).

Référence bibliographique:

Laura Rincón García, Ali K. Ismael, Charalambos Evangeli, Iain Grace, Gabino Rubio Bollinger, Kyriakos Porfyrakis, Nicolás Agraït & Colin J. Lambert. “Molecular design and control of fullerene-based bi-thermoelectric materials”. Nature Materials. DOI: 10.1038/nmat4487

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Université autonome de Madrid

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