Sensori e dispositivi autoalimentati dell'Internet of Things ora possibili con un nuovo materiale

Sensori e dispositivi autoalimentati dell'Internet of Things ora possibili con un nuovo materiale

Un materiale con proprietà termoelettriche è stato inventato dai ricercatori dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido dell'Università di Tecnologia di Vienna. Combinando sottili strati di ferro, vanadio, tungsteno e alluminio e applicandoli a un cristallo di silicio, il materiale converte il calore accidentale in elettricità per generare abbastanza energia per alimentare i dispositivi. La quantità di elettricità generata non è molta, ma è più che sufficiente per i sensori e altri piccoli dispositivi elettronici che stanno crescendo in numero nel mondo dell'Internet delle cose (IoT).

Il flusso termoelettrico rende questo materiale diverso

Tre caratteristiche del materiale e alcuni fondamenti della fisica rendono possibile la sua capacità di generare energia. I sottili reticoli di materiali metallici combinati, quando vengono applicati al silicio, alterano il posizionamento degli atomi all'interno della struttura generale.

Quando i reticoli sono posati per la prima volta, ciascuno dei componenti metallici è uniforme nella struttura, cioè gli atomi di ferro siedono uno accanto all'altro. Ma in combinazione con il silicio, gli atomi di ferro si mescolano improvvisamente con gli atomi di vanadio, alluminio e tungsteno in modo casuale, creando una disposizione atomica irregolare che cambia le proprietà elettroniche. Questo permette alla bassa resistenza elettrica creata da una fonte di calore esterna di viaggiare da una parte della struttura cristallina a zone di temperatura inferiore.

In un recente comunicato stampa dell'Università, il professor ErnstBauer, che dirige il laboratorio di fisica dello stato solido, afferma,"La carica elettrica si muove attraverso il materiale in un modo speciale, in modo da essere protetta dai processi di dispersione. Le porzioni di carica che viaggiano attraverso il materiale sono chiamate fermioni di Weyl".

Se non avete familiarità con i fermioni di Weyl come me, sono stati scoperti per la prima volta nel 2015 e sono quasiparticelle senza massa che si trovano in materiali speciali che si muovono attraverso di loro. Questo crea un flusso termoelettrico.

L'effetto Seebeck produce l'elettricità

I materiali termoelettrici hanno una capacità unica di convertire il calore in elettricità. Chiamato effetto Seebeck, si verifica quando un materiale ha un gradiente di temperatura tra le sue due estremità. L'energia generata tende ad essere così piccola che il più delle volte la trascuriamo. Ma questo nuovo materiale crea un effetto termoelettrico 2,5 volte o più grande di qualsiasi materiale termoelettrico creato finora. Allo stesso tempo il materiale trasferisce il flusso termoelettrico senza trasferire il calore. Questo lo rende ideale per l'elettronica che funziona senza una batteria o un filo attaccato.

Elettricità per l'IoT

Il crescente numero di dispositivi elettronici nel mondo dell'IoT (che si prevede sarà in trilioni entro un decennio o due) significa che i requisiti di potenza possono crescere esponenzialmente. La scoperta dell'Università di Vienna potrebbe mitigare l'aumento della capacità energetica in modo drammatico, che ha implicazioni per le emissioni di gas a effetto serra dalle centrali elettriche che emettono combustibili fossili, e il cambiamento climatico.

Sensori e altri dispositivi elettronici con un piccolo ed efficiente elemento termoelettrico attaccato a loro potrebbero usare fonti di calore di scarto per innescare l'effetto termoelettrico.

L'Università ha depositato due brevetti e sta lavorando con il partner AVL Graz, l'Istituto Nazionale di Scienza dei Materiali in Giappone e l'Accademia Cinese delle Scienze per commercializzare la scoperta. Se dovesse diventare ampiamente adottata, rappresenterà un significativo passo avanti nell'alimentazione di dispositivi basati su Internet senza richiedere l'aumento collaterale della capacità di generazione di energia, come il mondo delle telecomunicazioni sta per lanciare le reti 5G.

Autore: Len Rosen

Credito d'immagine: Rapporti GE

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su 21°centech