Recycler la chaleur en électricité avec des liquides ultraconfinés
Publié par Adrien le 30/10/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
En faisant circuler des liquides dans des canaux nanométriques chargés, il est possible de convertir de la chaleur en électricité avec autant d'efficacité que les meilleurs matériaux thermoélectriques.


Lorsqu'il est soumis à une différence de température, un canal nanofluidique peut générer de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche...), avec un rendement comparable à celui des meilleurs solides thermoélectriques.
© ILM (CNRS/Univ. Lyon 1)

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) thermoélectriques solides permettent de convertir une différence de température en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité...). Ils constituent ainsi une ressource énergétique importante pour les années à venir. Toutefois, les matériaux les plus performants sont rares, coûteux et souvent toxiques. Des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) à Lyon (CNRS/Univ. Lyon 1) ont exploré une possibilité alternative: l'utilisation de canaux nanofluidiques confinant de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) salée. De tels systèmes ont suscité beaucoup d'attention récemment, car ils sont capables de produire de l'électricité à partir de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) osmotique de l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.). Cette "énergie bleue" vient du phénomène d'osmose (L’osmose désigne le phénomène de diffusion de molécules de solvant (l'eau de façon générale) à travers une membrane semi-perméable qui sépare deux liquides de concentrations en soluté différentes. Le passage de solvant...), c'est-à-dire l'écoulement spontané du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) du milieu le plus concentré vers le moins concentré. Mais l'application de ces dispositifs pour le recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui illustre ce...) en électricité de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) perdue par de nombreux procédés industriels en électricité commence seulement à être étudiée. Ce moindre intérêt s'explique par l'image standard de la thermoélectricité (Dans certain matériaux l'effet thermoélectrique lie le flux de chaleur qui les traverse au courant électrique qui les parcourt. Cet effet est à la base d'applications de...) des liquides chargés, développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) dans les années 1980, et qui prévoyait des performances très en dessous de celles des matériaux thermoélectriques.

Les scientifiques ont mis à l'épreuve ces modèles à l'aide de simulations du comportement de la matière au niveau atomique. Dans ce type de simulations, le mouvement de chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...) est décrit explicitement, ce qui permet notamment de mesurer indépendamment l'influence des divers paramètres (interactions avec les parois, contribution électrostatique) sur le mouvement des atomes et donc du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...). Contre toute attente, ils ont montré que les performances des systèmes nanofluidiques étaient cent fois supérieures aux prédictions des modèles standard, et pouvaient être comparables à celles des meilleurs matériaux thermoélectriques solides. Ces travaux démontrent le potentiel des systèmes nanofluidiques, et en permettant d'en comprendre les mécanismes, ils pourront servir de guide pour l'élaboration de dispositifs à hautes performances, une alternative économique et non toxique aux matériaux thermoélectriques.

Références

Giant thermoelectric response of nanofluidic systems driven by water excess enthalpy.
Li Fu, Laurent Joly & Samy Merabia, Physical Review Letters, 123, 138001 (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.138001.
Article disponible sur la base d'archives ouvertes ArXiv.
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