Des chercheurs du MIT se sont penchés sur le phénomène de la thermoélectricité, qui produit de l'électricité à partir de la chaleur. Ils ont cherché à accroître la puissance de l'énergie générée par des matériaux spécifiques.

L’énergie éolienne ou photovoltaïque font partie des solutions les plus communément citées face à l’inévitable disparition des combustibles fossiles. La thermoélectricité est une piste moins connue, mais loin d’être délaissée par la recherche. Certains matériaux, dits thermoélectriques, ont en effet la faculté de de transformer directement la chaleur en électricité.

Cependant, ce marché peine encore à émerger car le processus entraîne des coûts importants, pour des rendements parfois faibles. C’est pourquoi la thermoélectricité n’est, pour l’heure, utilisée que dans des appareils qui n’exigent pas une source d’énergie puissante : par exemple, de petits capteurs ou des batteries de sauvegarde sur des sondes spatiales.

Des matériaux « topologiques »

Malgré tout, certains scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ne désespèrent pas et continuent de chercher des dispositifs plus puissants pour récupérer cette électricité. Leur solution, présentée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences le 16 janvier 2018, repose sur des « matériaux topologiques » aux propriétés électroniques particulières.

Ils se sont tout particulièrement intéressés à la manière dont les électrons qu’ils renferment « voyagent » lors des changements de température à l’origine de la thermoélectricité. Au cours de leurs recherches, les chercheurs ont identifié pourquoi certains matériaux topologiques étaient plus efficaces pour générer de l’électricité que les dispositifs déjà existants.

« Nous avons découvert que nous pouvions repousser les limites de ce matériau nanostructuré, de manière à faire des matériaux topologiques des matériaux thermoélectriques plus performants que les semi-conducteurs conventionnels comme le silicium », explique Te-Huan Liu, chercheur associé au département d’ingénierie mécanique du MIT.

Lorsqu’un matériau thermoélectrique est exposé à une variation de température (par exemple, un côté est chauffé pendant que l’autre est refroidi), les électrons qu’il renferme se déplacent de l’extrémité la plus chaude vers la plus froide : cela génère un courant électrique. Or, plus la différence de température est importante, plus le courant électrique produit est puissant.

La puissance du courant est liée au déplacement des électrons

Ainsi, la quantité d’énergie produite dépend de la manière dont les électrons se déplacent dans un matériau. En modélisant les caractéristiques d’un matériau à l’échelle du nanomètre, les scientifiques ont considéré qu’ils pouvaient transformer ces fameux matériaux topologiques de manière à ce qu’ils produisent du courant plus efficacement.

Les universitaires voient désormais dans ces matériaux topologiques un moyen d’améliorer les performances de la thermoélectricité, et d’étendre ainsi son usage en tant qu’énergie renouvelable.

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