La physique

Les unités de climatisation consomment beaucoup d’énergie, à tel point que, pendant les mois d’été, elles occupent la première place en termes de consommation d’électricité parmi les appareils électroménagers. Aujourd'hui, Teppei Yamada et ses collègues de l'Université de Tokyo ont développé un matériau qui pourrait aider à réduire les besoins énergétiques de la climatisation en transformant la chaleur perdue de ces systèmes en électricité [1]. Le matériau pourrait également être utilisé dans des appareils portables qui doivent produire leur propre électricité. « Les technologies qui transforment la chaleur en électricité en sont à leurs débuts », explique Yamada. "Ici, pour la première fois, nous faisons cela en utilisant une transition de phase [polymère]."

Le matériau utilisé par Yamada et ses collègues est un polymère thermosensible appelé PNV, un polymère absorbant l'eau développé par d'autres. En solution, à température ambiante, le PNV aspire l'eau de telle sorte que chaque brin de polymère prend la forme d'une bobine gonflée. Chauffez le mélange au-dessus d'environ 40 °C et les chaînes expulsent cette eau et se rétrécissent en globules compacts.

La transition « bobine-globule » du PNV peut également être induite par une réaction redox, qui est une réaction qui implique le transfert d'électrons entre deux matériaux. Tel que synthétisé, chaque brin du PNV Yamada et son groupe sont chargés positivement, avec une charge nette de +2 (PNV2+). Cette charge peut être réduite d’un par différentes méthodes. Le PNV+ subit la même transition bobine-globule que le PNV2+ mais à environ 20 °C au lieu de 40 °C. Ainsi, si une réaction redox se produit dans un échantillon maintenu à 30 °C, le transfert d’électrons déclenchera une transition de phase.

Les calculs de l'équipe montrent que cette transition de phase déclenchée par redox peut, sous certaines conditions, être utilisée pour générer une tension dans un dispositif de type batterie. D'une manière générale, le processus se déroule comme suit : Au niveau d'une électrode, le globule PNV+ donne un électron à l'électrode. Ce don oxyde le PNV+, qui se transforme ensuite en PNV2+ et gonfle en un serpentin gonflé. À l’autre électrode, le PNV2+ enroulé prend un électron. Cette action réduit le PNV2+ en PNV+ et réduit le polymère en globule. Le cycle se répète ensuite.

Pour que cette réaction génère une tension, les électrodes doivent avoir des températures différentes. Dans ce cas, l'électrode froide doit être à une température juste au-dessus de la température de transition bobine-globule du PNV+ et l'électrode chaude à une température juste en dessous de la température de transition bobine-globule du PNV2+. Ce gradient de température provoque un déséquilibre dans la répartition des bobines et des globules à travers le dispositif, ce qui induit une différence de potentiel électrochimique entre les électrodes. Cette différence est une condition préalable à la génération de tension dans tout système, même dans les batteries normales, explique Hongyao Zhou, membre de l'équipe. « S'il n'y avait pas de gradient de température, nous n'obtiendrons aucune tension car les transitions de phase se produiraient de manière égale au niveau des deux électrodes, qui auraient alors le même potentiel électrochimique », ajoute-t-il.

Pour leur démonstration, les chercheurs ont construit une batterie à partir de deux couches de platine, entre lesquelles ils ont placé leur mélange PNV. Initialement, la moitié du PNV était sous forme oxydée (PNV2+) et l'autre moitié sous forme réduite (PNV+). Ils ont réglé l’électrode froide à 25 °C et augmenté l’électrode chaude de 25 °C à 45 °C tout en mesurant la tension de sortie.

Pour le mélange 50:50, les chercheurs ont constaté que la tension de sortie sautait soudainement lorsque la différence de température dépassait 10 °C. La puissance maximale qu'ils ont enregistrée pour leur batterie était d'environ 20 millivolts, une tension que Zhou dit qu'ils pourraient augmenter en connectant plusieurs appareils. La différence de température requise pour obtenir ce saut de tension était réglable, passant à des valeurs plus élevées et plus basses lorsque l'équipe modifiait le rapport PNV+ à PNV2+ dans le mélange initial. Seule une minuscule tension de sortie a été trouvée lorsqu'ils ont remplacé le PNV par une molécule qui subit la réaction redox mais n'est associée à aucune chaîne polymère, ce qui indique que la transition de phase du polymère était effectivement à l'origine de la production d'électricité, explique Zhou.