Des chercheurs impriment en 3D des matériaux thermoélectriques durables et performants
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La gestion rapide et localisée de la chaleur est essentielle pour les appareils électroniques et pourrait avoir des applications allant des matériaux portables au traitement des brûlures. Si les matériaux dits thermoélectriques convertissent les différences de température en tension électrique et vice versa, leur efficacité est souvent limitée et leur production est coûteuse et gaspilleuse.
Dans un article publié dans Science , des chercheurs de l'Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA) ont utilisé une technique d'impression 3D pour fabriquer des matériaux thermoélectriques hautes performances, réduisant ainsi considérablement les coûts de production .
Les refroidisseurs thermoélectriques, également appelés réfrigérateurs à semi-conducteurs, peuvent induire un refroidissement localisé en utilisant un courant électrique pour transférer la chaleur d'un côté de l'appareil à l'autre. Leur longue durée de vie, leur invulnérabilité aux fuites, leur taille et leur forme ajustables et l'absence de pièces mobiles (comme les liquides en circulation) font de ces appareils des appareils idéaux pour diverses applications de refroidissement, telles que l'électronique.
Cependant, leur fabrication à partir de lingots est associée à des coûts élevés et génère beaucoup de déchets de matériaux. De plus, les performances des appareils restent limitées.
Aujourd'hui, une équipe de l'Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), dirigée par Maria Ibáñez, professeure adjointe de sciences de l'énergie et directrice du laboratoire thermoélectrique Werner Siemens, avec Shengduo Xu, premier auteur et postdoctorant de l'ISTA, a développé des matériaux thermoélectriques hautes performances à partir de l'imprimante 3D et les a utilisés pour construire un refroidisseur thermoélectrique.
« Notre intégration innovante de l'impression 3D dans la fabrication de refroidisseurs thermoélectriques améliore considérablement l'efficacité de la fabrication et réduit les coûts », déclare Shengduo Xu.
De plus, contrairement aux tentatives précédentes d’impression 3D de matériaux thermoélectriques, la méthode actuelle produit des matériaux aux performances considérablement supérieures.
Le professeur Ibáñez de l'ISTA ajoute : « Grâce à des performances de niveau commercial, notre travail a le potentiel de s'étendre au-delà du monde universitaire, d'avoir une pertinence pratique et d'attirer l'intérêt des industries à la recherche d'applications concrètes. »
Impression de pastilles utilisées pour la mesure des propriétés thermoélectriques. Crédit : Shengduo Xu | ISTA
Repousser les limites des technologies thermoélectriques
Bien que tous les matériaux présentent un certain effet thermoélectrique, celui-ci est souvent trop négligeable pour être utile. Les matériaux présentant un effet thermoélectrique suffisamment élevé sont généralement des semi-conducteurs dits « dégénérés », c'est-à-dire des semi-conducteurs « dopés », dans lesquels des impuretés sont introduites intentionnellement pour qu'ils se comportent comme des conducteurs.
Les refroidisseurs thermoélectriques de pointe actuels sont produits à l'aide de techniques de fabrication à base de lingots, des procédures coûteuses et gourmandes en énergie nécessitant des processus d'usinage approfondis après la production, où une grande quantité de matériau est gaspillée.
« Avec nos travaux actuels, nous pouvons imprimer en 3D exactement la forme souhaitée de matériaux thermoélectriques. De plus, les dispositifs obtenus présentent un effet de refroidissement net de 50 degrés dans l'air. Cela signifie que nos matériaux imprimés en 3D fonctionnent de manière similaire à ceux qui sont nettement plus coûteux à fabriquer », explique Shengduo Xu.
L'équipe de scientifiques des matériaux de l'ISTA propose ainsi une méthode de production évolutive et rentable pour les matériaux thermoélectriques, évitant les étapes gourmandes en énergie et en temps.
Méthode de grattage pour retirer la pointe conique d'un pilier imprimé. Crédit : Shengduo Xu | ISTA
Matériaux imprimés avec liaison de particules optimisée
Au-delà de l’application des techniques d’impression 3D pour produire des matériaux thermoélectriques, l’équipe a conçu les encres de manière à ce que, lorsque le solvant porteur s’évapore, des liaisons atomiques efficaces et robustes se forment entre les grains, créant un réseau de matériaux connectés atomiquement.
Les liaisons chimiques interfaciales améliorent ainsi le transfert de charge entre les grains. Cela explique comment l’équipe a réussi à améliorer les performances thermoélectriques de ses matériaux imprimés en 3D tout en apportant un nouvel éclairage sur les propriétés de transport des matériaux poreux.
« Nous avons utilisé une technique d'impression 3D basée sur l'extrusion et avons conçu la formulation de l'encre pour garantir l'intégrité de la structure imprimée et améliorer la liaison des particules. Cela nous a permis de produire les premiers refroidisseurs thermoélectriques à partir de matériaux imprimés avec des performances comparables à celles des dispositifs à base de lingots tout en économisant du matériau et de l'énergie », lance Maria Ibáñez.
Applications médicales, récupération d'énergie et durabilité
Au-delà de la gestion rapide de la chaleur dans les appareils électroniques et portables, les refroidisseurs thermoélectriques pourraient avoir des applications médicales, notamment pour le traitement des brûlures et le soulagement des tensions musculaires. En outre, la méthode de formulation de l'encre développée par l'équipe de scientifiques de l'ISTA peut être adaptée à d'autres matériaux destinés à être utilisés dans des générateurs thermoélectriques à haute température, des appareils capables de générer une tension électrique à partir d'une différence de température.
Selon l’équipe, une telle approche pourrait élargir l’applicabilité des générateurs thermoélectriques à divers systèmes de récupération d’énergie résiduelle.
« Nous avons exécuté avec succès une approche de cycle complet, depuis l'optimisation des performances thermoélectriques des matières premières jusqu'à la fabrication d'un produit final stable et performant », assure Maria Ibáñez.
Shengduo Xu ajoute : « Notre travail offre une solution transformatrice pour la production de dispositifs thermoélectriques et annonce une nouvelle ère de technologies thermoélectriques efficaces et durables. »
https://ist.ac.at/en/news/cooling-materials-out-of-the-3d-printer/