Come si mantiene fredda la soda più piccola del mondo? Gli scienziati dell’UCLA potrebbero avere la risposta. Un team guidato dal professore di fisica dell’UCLA – Chris Regan – è riuscito a creare refrigeratori termoelettrici con uno spessore di soli 100 nanometri, circa un decimilionesimo di metro, e ha sviluppato una nuova tecnica innovativa per misurare le loro prestazioni di raffreddamento. “Abbiamo realizzato il frigorifero più piccolo del mondo”, ha detto Regan, l’autore principale di un articolo sulla ricerca pubblicato sulla rivista ACS Nano.
Per essere chiari, questi minuscoli dispositivi non sono frigoriferi nel senso quotidiano: non ci sono porte o cassetti per frutta e verdura. Ma su scale più grandi, la stessa tecnologia viene utilizzata per raffreddare computer e altri dispositivi elettronici, per regolare la temperatura nelle reti in fibra ottica e per ridurre il “rumore” dell’immagine nei telescopi e nelle fotocamere digitali di fascia alta.
Cosa sono i dispositivi termoelettrici e come funzionano?
Realizzati inserendo due diversi semiconduttori tra piastre metallizzate, questi dispositivi funzionano in due modi. Quando viene applicato il calore, un lato diventa caldo e l’altro rimane freddo; quella differenza di temperatura può essere utilizzata per generare elettricità. Gli strumenti scientifici della sonda spaziale Voyager della NASA, ad esempio, sono stati alimentati per 40 anni dall’elettricità proveniente da dispositivi termoelettrici avvolti attorno al plutonio che produce calore. In futuro, dispositivi simili potrebbero essere utilizzati per aiutare a catturare il calore dallo scarico della propria auto per alimentare il condizionatore d’aria.
Ma quel processo può anche essere eseguito al contrario. Quando una corrente elettrica viene applicata al dispositivo, un lato diventa caldo e l’altro freddo, consentendogli di fungere da dispositivo di raffreddamento o frigorifero. Questa tecnologia ampliata potrebbe un giorno sostituire il sistema di compressione del vapore nel tuo frigorifero e mantenere gelata la tua soda reale.
Il lavoro del team dell’UCLA
Per creare i propri raffreddatori termoelettrici, il team di Regan, che comprendeva sei studenti dell’UCLA, ha utilizzato due materiali semiconduttori standard: tellururo di bismuto e tellururo di bismuto di antimonio. Hanno attaccato il normale nastro scozzese a pezzi dei materiali sfusi convenzionali, lo hanno rimosso e quindi hanno raccolto sottili fiocchi dal materiale ancora attaccato al nastro. Da questi fiocchi, hanno realizzato dispositivi funzionali che hanno uno spessore di soli 100 nanometri e un volume attivo totale di circa 1 micrometro cubo, invisibile ad occhio nudo.
Per mettere in prospettiva questo piccolo volume: le nostre unghie crescono di migliaia di micrometri cubi ogni secondo. Se le nostre cuticole fabbricassero questi minuscoli refrigeratori invece delle unghie, ogni dito produrrebbe più di 5.000 dispositivi al secondo. “Abbiamo battuto il record per il frigorifero termoelettrico più piccolo del mondo di oltre diecimila volte”, ha affermato Xin Yi Ling, uno degli autori del documento.
Sebbene i dispositivi termoelettrici siano stati utilizzati in applicazioni di nicchia a causa di vantaggi quali le loro piccole dimensioni, la mancanza di parti mobili e la loro affidabilità, la loro bassa efficienza rispetto ai sistemi convenzionali basati sulla compressione ha impedito l’adozione diffusa della tecnologia. In poche parole, su scale più grandi, i dispositivi termoelettrici non generano abbastanza elettricità o rimangono abbastanza freddi, ancora.
Ma concentrandosi sulle nanostrutture, dispositivi con almeno una dimensione nell’intervallo da 1 a 100 nanometri, Regan e il suo team sperano di scoprire nuovi modi per sintetizzare materiali sfusi con prestazioni migliori. Le proprietà ricercate per i materiali nei refrigeratori termoelettrici ad alte prestazioni sono una buona conduttività elettrica e una scarsa conduttività termica, ma queste proprietà si escludono quasi sempre a vicenda. Tuttavia, una combinazione vincente potrebbe essere trovata in strutture quasi bidimensionali come quelle create dal team di Regan.
Un’altra caratteristica distintiva del “frigorifero” su nanoscala del team è che può rispondere quasi istantaneamente. “Le sue piccole dimensioni lo rendono milioni di volte più veloce di un frigorifero che ha un volume di un millimetro cubo, e sarebbe già milioni di volte più veloce del frigorifero che hai in cucina”, ha detto Regan. “Una volta capito come funzionano i refrigeratori termoelettrici a livello atomico e quasi atomico possiamo scalare fino alla macroscala, dove si trova il grande vantaggio”.
Misurare quanto diventano freddi i dispositivi
Misurare la temperatura in dispositivi così piccoli è una sfida. I termometri ottici hanno una scarsa risoluzione su scale così piccole, mentre le tecniche di scansione delle sonde richiedono attrezzature specializzate e costose. Entrambi gli approcci richiedono calibrazioni minuziose. Nel 2015, il gruppo di ricerca di Regan ha sviluppato una tecnica di termometria chiamata PEET, o termometria di espansione dell’energia plasmonica, che utilizza un microscopio elettronico a trasmissione per determinare le temperature su scala nanometrica misurando i cambiamenti di densità.
Per misurare la temperatura dei loro refrigeratori termoelettrici, i ricercatori hanno depositato nanoparticelle costituite dall’elemento indio su ciascuna di esse e hanno selezionato una particella specifica come termometro. Man mano che il team variava la quantità di energia applicata ai dispositivi di raffreddamento, i dispositivi si riscaldavano e raffreddavano e l’indio si espandeva e si contraeva di conseguenza. Misurando la densità dell’indio, i ricercatori sono stati in grado di determinare la temperatura precisa della nanoparticella e quindi del refrigerante. “Il PEET ha la risoluzione spaziale per mappare i gradienti termici su scala di pochi nanometri, un regime quasi inesplorato per i materiali termoelettrici nanostrutturati”, ha detto Regan, che è membro del California NanoSystems Institute dell’UCLA.
Per integrare le misurazioni PEET, i ricercatori hanno inventato una tecnica chiamata termometria di condensazione. L’idea di base è semplice: quando l’aria normale si raffredda a una certa temperatura, il punto di rugiada, il vapore acqueo nell’aria si condensa in goccioline liquide, rugiada o pioggia. Il team ha sfruttato questo effetto alimentando il proprio dispositivo mentre lo guardava con un microscopio ottico. Quando il dispositivo ha raggiunto il punto di rugiada, minuscole gocce di rugiada si sono formate istantaneamente sulla sua superficie.
Regan ha elogiato il lavoro dei suoi studenti ricercatori nell’aiutare a sviluppare e misurare le prestazioni dei dispositivi su nanoscala. “Il collegamento della scienza dei materiali avanzata e della microscopia elettronica alla fisica nelle aree quotidiane, come la refrigerazione e la formazione di rugiada, aiuta gli studenti a ottenere la trazione sui problemi molto rapidamente”, ha detto Regan. “Vederli imparare e innovare mi dà molte speranze per il futuro del termoelettrico”.
