Des chercheurs de l'Empa planchent sur une approche basée sur des nanorubans de graphène qui permettrait de générer de l'électricité à partir de la chaleur dégagée par les applications électroniques à faible puissance, comme les dispositifs médicaux portables, mais aussi de refroidir les circuits électroniques.

Les machines et les appareils électroniques génèrent souvent une chaleur résiduelle inexploitée. Si cette chaleur pouvait être convertie en électricité , cela offrirait une approche propre et durable pour la production d'énergie sur un large éventail d'applications.

Il existe déjà des générateurs thermoélectriques, qui produisent de l'électricité à partir de différences de température, mais l'efficacité de cette conversion est généralement faible avec une production réduite. Augmenter cette production d'électricité nécessite des matériaux combinant une conductivité électrique élevée avec une faible conductivité thermique. Mais ces exigences s'excluent généralement l'une l'autre.

Les boîtes quantiques comme solution

Au cours des dernières années, plusieurs groupes de recherche dans le monde ont démontré que la conversion thermoélectrique peut être considérablement améliorée en exploitant des effets quantiques. L'utilisation de boîtes quantiques agissant comme des filtres énergétiques très sélectifs s'est en effet traduite par d'importantes augmentations de l'efficacité de conversion. Dans certains cas, elle se rapproche même de certaines des limites imposées par les lois de la thermodynamique. Le problème : ces machines quantiques, également appelées moteurs thermiques quantiques, doivent être refroidies à une température de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, ce qui les rend inutilisables dans la vie quotidienne.

Mais les chercheurs de l'Empa en Suisse vont peut-être pouvoir surmonter ce problème et créer un moteur thermique quantique qui fonctionne à température ambiante. C'est Mickael Perrin, chercheur dans le laboratoire "Transport at Nanoscale Interfaces" dirigé par Michel Calame, qui a eu l'idée d'utiliser les nanorubans de graphène (une spécialité de l'Empa), dans ce but. Les tout premiers nanorubans de graphène ont été synthétisés par un autre groupe de recherche de l'Empa : Roman Fasel et ses collègues du laboratoire Nanotech@Surfaces. Depuis plusieurs années, Mickael Perrin et d'autres membres du groupe travaillent sur différentes approches pour créer des dispositifs électroniques à partir de ces nanorubans.

Vers un fonctionnement en température ambiante

Mickael Perrin a déjà réussi à faire en sorte que des nanorubans de graphène se comportent comme des boîtes quantiques, certaines d'entre elles étant stables jusqu'à une température de -123 °C. Il s'agit là d'une température bien plus élevée que celles auparavant nécessaires dans l'utilisation des boîtes quantiques pour la conversion thermoélectrique. L'objectif est maintenant d'intégrer ces nanorubans de graphène dans un moteur thermique quantique et de le faire fonctionner à température ambiante. L'établissement d'un contact électrique avec ces nanorubans (qui ne mesurent que quelques nanomètres) nécessitera le développement de techniques et de protocoles de fabrication spéciaux, qui seront mis en œuvre en particulier au Binnig and Rohrer Nanotechnology Center à Rüschlikon (Suisse). En outre, des systèmes de mesure spécifiques seront nécessaires pour caractériser l'efficacité de la conversion d'énergie.

Si tout se passe bien, Mickael Perrin pourrait créer un moteur thermique sur une puce électronique dans les prochaines années. Non seulement ce moteur pourrait générer de l'électricité à partir de la chaleur dissipée, mais en inversant le principe de fonctionnement, il serait également possible de l'utiliser pour refroidir l'électronique de manière efficace.

Grâce à ses deux bourses de recherche, Mickael Perrin occupera d'ici quelques mois un poste de professeur assistant à l'ETH Zurich, au Département de technologie de l'information et de génie électrique. Au cours des prochaines années, il poursuivra ses travaux de recherche dans les laboratoires de l'Empa, où des équipements de pointe sont disponibles pour la caractérisation thermoélectrique des moteurs thermiques quantiques.

Financement de la recherche

L'ambitieux projet de Mickael Perrin lui a valu l'une des prestigieuses "ERC Starting Grants" de l'UE et l'une des 32 bourses professorales Eccellenza du Fonds national suisse de la recherche scientifique FNS. Il occupera un poste de professeur assistant à l'ETH Zurich - et poursuivra sa recherche à l'Empa.

En raison de l'échec de l'accord-cadre entre la Suisse et l'Union européenne, la Suisse est actuellement exclue du programme de recherche européen "Horizon Europe". Exceptionnellement cette année, les bénéficiaires des subventions "ERC Starting Grant" seront financés directement par le Secrétariat d'État à la formation, à la recherche et à l'innovation (SEFRI). C'est le seul moyen pour la Suisse de garder ces jeunes chercheurs talentueux. Afin de recevoir les fonds européens alloués, Mickael Perrin et les 27 autres boursiers suisses devraient s'installer dans une université étrangère faisant partie de l'Espace européen de la recherche.

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