Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
Questo articolo dimostra che film di grafene multistrato derivati chimicamente, con fluttuazioni dello spessore e della densità dei portatori, esibiscono un grande effetto Nernst in campi magnetici nell'ordine dei millitesla, raggiungendo valori di termopotere trasversale fino a 250 V/K e sottolineando il loro potenziale per la generazione di energia termoelettrica su larga scala.
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Il calore è spesso visto come uno scarto, un sottoprodotto del funzionamento delle macchine o del flusso di elettricità che si disperde semplicemente nell'aria. Eppure, per decenni, gli scienziati hanno cercato materiali in grado di trasformare questo calore disperso direttamente in elettricità utile, un processo noto come termoelettricità. La sfida consiste nel trovare una sostanza che conduca bene l'elettricità ma blocchi il calore, una combinazione difficile da ottenere. La grafite, il materiale che si trova nella mina delle matite, e il suo cugino più sottile, il grafene, sono abbondanti ed eccellenti conduttori, il che li rende candidati attraenti. Tuttavia, possiedono un difetto fondamentale per questo compito: sono materiali "compensati", il che significa che contengono numeri quasi uguali di cariche elettriche positive e negative. Queste cariche opposte tendono a cancellarsi a vicenda, risultando in una tensione quasi nulla quando riscaldate, rendendoli inutili per la generazione di energia in condizioni normali.
Un team di ricercatori dell'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca e della Skanda Rus ha scoperto un modo per aggirare questo limite utilizzando un fenomeno chiamato effetto Nernst. Questo effetto si verifica quando un materiale viene riscaldato mentre si trova in un campo magnetico. Nella maggior parte dei materiali, il calore crea una tensione che spinge le cariche in linea retta dal caldo al freddo. Ma in un campo magnetico, le cariche positive e negative vengono deviate lateralmente in direzioni opposte, invece di muoversi semplicemente in avanti. Poiché si muovono nella stessa direzione laterale nonostante abbiano cariche opposte, esse si sommano invece di annullarsi, creando una forte tensione trasversale. Storicamente, osservare questo effetto richiedeva temperature estremamente basse o magneti massicci e potenti, rendendolo una curiosità della fisica di laboratorio piuttosto che uno strumento pratico. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di vedere se questo effetto potesse essere indotto in strati di grafene ordinari, prodotti chimicamente, a temperatura ambiente utilizzando solo un piccolo magnete permanente.
Il team ha lavorato con un film macroscopico di grafene multistrato, un materiale cresciuto attraverso un processo chimico che produce un foglio con spessori variabili e una struttura interna complessa. Hanno modellato questo film in una striscia lunga e stretta e lo hanno posizionato su un palcoscenico dove potevano controllare il campo magnetico. Invece di riscaldare l'intera striscia, hanno utilizzato un fascio focalizzato di luce infrarossa per riscaldare un piccolo punto sul film, creando una differenza di temperatura netta in una posizione molto specifica. Muovendo questo punto laser attraverso il film e misurando la tensione che appariva tra diversi contatti, hanno mappato la risposta del materiale al calore sotto diverse condizioni magnetiche.
All'inizio, senza un campo magnetico, i risultati erano caotici. La tensione misurata in diversi punti fluttuava selvaggiamente, cambiando da positiva a negativa man mano che il laser si muoveva. Questa casualità era causata dalla natura non uniforme del film, dove minuscole regioni agivano come isole separate di carica positiva o negativa. Tuttavia, nel momento in cui i ricercatori hanno introato un campo magnetico molto debole, il caos è svanito. Anche con un'intensità di campo di soli 4 millitesla — una frazione minuscola della forza utilizzata in una normale macchina per la risonanza magnetica — le fluttuazioni casuali si sono livellate. La tensione è diventata costante e forte, apparendo chiaramente ai bordi del film. La tensione trasversale, che scorre lateralmente attraverso il materiale, è cresciuta fino a eguagliare e poi superare la tensione che scorre longitudinalmente lungo il film.
I ricercatori hanno calcolato che la capacità del materiale di generare questa tensione laterale era straordinariamente alta. Al campo più debole testato, l'effetto era già paragonabile ai migliori risultati osservati in altri materiali ad alte prestazioni. Aumentando il campo magnetico a 315 millitesla, la capacità di generazione di tensione è salita a 250 microvolt per kelvin. Questa è una scoperta significativa perché dimostra che l'effetto Nernst può essere grande e utile in un materiale che è facile da fabbricare e non richiede un raffreddamento estremo. Lo studio ha anche rivelato che l'effetto è più forte quando le linee del campo magnetico si allineano con la direzione del flusso di calore e della corrente risultante, una condizione che hanno confermato misurando la tensione in specifici contatti triangolari sul film.
Il team ha osservato che il successo di questo esperimento è dipeso dall'alta mobilità degli elettroni e delle lacune all'interno del film di grafene, che è stata probabilmente potenziata dal modo in cui gli strati sono stati ruotati l'uno rispetto all'altro durante la crescita. Questa struttura interna ha permesso alle cariche di muoversi abbastanza liberamente da rispondere fortemente al campo magnetico. Sebbene i ricercatori non abbiano sostenuto di aver costruito un generatore di energia funzionante, i loro risultati suggeriscono che grandi fogli di questo materiale potrebbero essere utilizzati per raccogliere energia da fonti di calore usando solo piccoli magneti permanenti. Il lavoro sfida la visione di lungo corso secondo cui i materiali a base di grafite siano troppo "compensati" per essere utili per applicazioni termoelettriche, aprendo una nuova strada per trasformare il calore disperso in elettricità utilizzando materiali abbondanti e facili da sintetizzare.
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