Au Japon, un cristal en « sandwich » ouvre une nouvelle piste pour convertir la chaleur perdue en électricité

Moteurs, usines, ordinateurs : une immense quantité d’énergie disparaît quotidiennement sous forme de chaleur. Et si un cristal feuilleté, épais de quelques atomes seulement, parvenait à récupérer une partie de ce gaspillage invisible pour produire directement de l’électricité, sans turbine ni pièce mobile ?

Une architecture atomique en couches qui imite un sandwich à l’échelle nanométrique

À première vue, TlFe₁,₆Se₂ ressemble davantage à une formule oubliée sur un tableau qu’à une révolution énergétique. Pourtant, ce cristal étudié par l’Institute of Science Tokyo possède une architecture étonnante. En effet, de minuscules couches de séléniure de fer sont enfermées entre des plans d’atomes de thallium. Ainsi, l’ensemble évoque la garniture d’un sandwich microscopique.

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Chaque feuille de séléniure de fer mesure environ 0,3 nanomètre d’épaisseur. À cette échelle, plusieurs millions de couches pourraient tenir dans l’épaisseur d’une pièce de monnaie. De plus, cette organisation permet au matériau de conserver certaines qualités électriques des structures ultrafines. Par ailleurs, elle reste assez solide pour être manipulée comme un cristal classique.

Le défi scientifique de convertir la chaleur en électricité sans pertes majeures

Le principe utilisé n’est pas nouveau. En effet, grâce à l’effet Seebeck, une différence de température entre deux faces d’un matériau crée une tension. Ainsi, les charges électriques se déplacent naturellement. Par conséquent, placé près d’un moteur ou d’un four, un générateur thermoélectrique pourrait récupérer une énergie souvent perdue dans l’air.

Cependant, le problème ressemble à une contradiction. D’une part, un bon matériau doit conduire l’électricité efficacement. D’autre part, il doit freiner la chaleur pour maintenir un écart de température. Or, les bons conducteurs électriques transportent souvent très bien la chaleur. Ainsi, réunir ces deux qualités reste le grand casse-tête de la thermoélectricité.

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Néanmoins, le cristal japonais contourne en partie ce piège grâce à ses couches atomiques. En effet, les feuilles de séléniure de fer facilitent le transport électrique. Tandis que les irrégularités de la structure perturbent les vibrations thermiques. Autrement dit, les électrons avancent, mais la chaleur progresse difficilement, comme le souligne une étude publiée dans le Journal of Materials Chemistry A.

Les défauts atomiques deviennent un levier clé pour améliorer les performances

Dans un cristal classique, les chercheurs cherchent à éliminer les défauts. Pourtant, ici, les lacunes laissées par certains atomes de fer jouent un rôle essentiel. Lorsqu’elles s’organisent selon un motif précis, elles renforcent le coefficient Seebeck. Ainsi, ce paramètre mesure la capacité du matériau à produire une tension.

En revanche, lorsque ces lacunes deviennent désordonnées, elles ralentissent encore plus la propagation thermique. À 500 °C, la conductivité thermique du cristal chute fortement. En effet, elle atteint environ 0,2 watt par mètre-kelvin. Par conséquent, ce désordre agit comme une multitude d’obstacles qui dispersent les vibrations.

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Des applications industrielles prometteuses malgré des contraintes matérielles importantes

Les premiers résultats sont encourageants. Toutefois, ils ne promettent pas encore une centrale électrique miniature. En effet, le facteur de performance thermoélectrique, appelé ZT, atteint environ 0,2 à 50 °C. Bien que cette valeur reste modeste, elle est près de cent fois supérieure à celle du séléniure de fer massif.

Ainsi, une telle technologie pourrait équiper des échappements automobiles ou des installations industrielles. Elle viserait aussi les chaudières et les centres de données. En effet, ces infrastructures rejettent beaucoup de chaleur. De plus, les générateurs thermoélectriques fonctionnent sans pièces mobiles. Ils restent silencieux et exploitent simplement une différence de température.

Cependant, un obstacle important subsiste. Le matériau contient du thallium, un élément très toxique. Par conséquent, sa manipulation exige des précautions strictes. Ainsi, la découverte ressemble davantage à un modèle qu’à un produit fini. Elle ouvre une piste. Peut-être faudra-t-il recréer ce sandwich avec des matériaux plus sûrs.

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