Une équipe de l’UCLA a développé un refroidisseur thermoélectrique ne mesurant que cent nanomètres d’épaisseur. Il s’agit du « plus petit réfrigérateur du monde » comme le surnomment les chercheurs. À plus grande échelle, ce nouveau système pourrait un jour empêcher la surchauffe de la microélectronique de pointe.
Que sont les dispositifs thermoélectriques et comment fonctionnent-ils?
Les refroidisseurs thermoélectriques n’ont évidemment rien à voir avec nos réfrigérateurs classiques. Pour générer du froid, ces derniers s’appuient en effet sur un système de compression de vapeur. En gros, les systèmes thermoélectriques fonctionnent ainsi : deux semi-conducteurs différents sont pris en sandwich entre des plaques métalliques. Deux choses peuvent alors se produire.
Si l’on applique de la chaleur, d’une part, l’un des côtés chauffe tandis que l’autre reste froid. Cette différence de température peut alors être exploitée pour générer de l’électricité. Les sondes Voyager qui voguent désormais dans l’espace interstellaire, sont par exemple notamment alimentées par ce type de dispositif. Elles génèrent donc de l’électricité à partir de la chaleur produite par un petit réacteur nucléaire au plutonium.
Cependant, ce processus peut également être exécuté en sens inverse. Lorsqu’un courant électrique est appliqué à l’appareil, un côté devient chaud et l’autre devient froid. Cela lui permet alors de servir de « glacière ». Ce type de technologie peut alors être utilisé pour refroidir des appareils électroniques, pour réguler la température dans les réseaux à fibre optique ou encore pour réduire le « bruit » de l’image dans les télescopes et autres appareils photo numériques haut de gamme, entre autres choses.
Ce que les physiciens de l’UCLA ont réussi à faire, c’est réduire le refroidissement thermoélectrique d’un facteur de plus de 10 000 par rapport au plus petit refroidisseur thermoélectrique précédent.
Pour ce faire, ils ont utilisé deux matériaux semi-conducteurs standard : le tellurure de bismuth et le tellurure d’antimoine-bismuth réduits en « paillettes » microscopiques. Ils ont ensuite fabriqué des dispositifs fonctionnels invisibles à l’oeil nu d’une épaisseur de seulement cent nanomètres et d’un volume actif total d’environ un micromètre cube. Pour mettre ce petit volume en perspective, dites-vous que vos ongles produisent plusieurs milliers de micromètres cubes de kératine par seconde.
« Nous avons fabriqué le plus petit réfrigérateur du monde« , a déclaré Regan, principal auteur de l’étude publiée dans la revue ACS Nano.
Des nanoparticules comme « thermomètres »
Mesurer ensuite la température générée par ces appareils à une si petite échelle a été un autre défi. Pour ce faire, les physiciens ont fait appel à une technique de thermométrie à expansion d’énergie plasmon, inventée en 2015. Ce procédé détermine la température à l’échelle nanométrique en mesurant les changements de densité avec un microscope électronique en transmission.
Dans ce cas précis, les chercheurs ont placé des nanoparticules d’indium à proximité des refroidisseurs thermoélectriques. Au fur et à mesure que ces appareils refroidissaient ou chauffaient, l’indium se contractait ou se dilatait en conséquence. En mesurant la densité de l’indium, la température de ces nanorefroidisseurs a donc pu être déterminée avec précision.
Réguler la température de technologie de pointe
Alors que les dispositifs thermoélectriques ont été utilisés dans des applications de niche, leur faible rendement par rapport aux systèmes à compression conventionnels a empêché l’adoption généralisée de la technologie. Autrement dit, à plus grande échelle, les dispositifs thermoélectriques ne génèrent pas encore suffisamment d’électricité ou ne restent pas suffisamment froids, d’où l’intérêt de ces nouveaux travaux. Les chercheurs estiment que la combinaison inédite de ces semi-conducteurs pourrait un jour être portée à plus grande échelle. Cela permettra le développement d’une nouvelle classe de dispositifs permettant de « maintenir au frais » des dispositifs microélectroniques de pointe.
