Scoperta di InTe per applicazioni termoelettriche flessibili con prestazioni migliorate tramite co-doping Bi/Se e integrazione di MnO₂

Trasformare il calore corporeo in energia utilizzabile

Ogni giorno grandi quantità di energia vanno perse come calore di scarto — dalle macchine in fabbrica, ai motori delle auto, fino ai nostri stessi corpi. Questo studio esplora un nuovo modo per recuperare una piccola porzione di quel calore e convertirla in elettricità usando sottili strisce flessibili che possono essere stampate come inchiostro su giornale. I ricercatori si concentrano su un materiale poco conosciuto chiamato tellururo di indio (InTe) e mostrano come può essere ingegnerizzato e stampato per alimentare futuri dispositivi indossabili e piccoli sensori wireless senza batterie.

Un nuovo materiale per strisce energetiche flessibili

La maggior parte dei materiali ad alte prestazioni per la conversione calore‑elettricità funziona bene solo come blocchi duri e fragili, costosi da produrre e difficili da piegare. Questo li rende scarsi candidati per abbigliamento intelligente, cerotti per la salute montati sulla pelle o dispositivi IoT flessibili. InTe è diverso: blocca naturalmente il flusso di calore in modo molto efficace, cosa positiva per le prestazioni termoelettriche, ma da solo conduce male l’elettricità. L’idea centrale del team è trasformare InTe in un “inchiostro” stampabile e poi regolarne con cura la composizione in modo che possa essere depositato su sottili film plastici, creando generatori termoelettrici flessibili che si adattano comodamente a superfici curve.

Da polvere a generatore stampato

I ricercatori hanno iniziato con polveri ad alta purezza di indio, tellurio, bismuto e selenio. Hanno prima fatto reagire queste polveri in tubi sigillati ad alta temperatura per formare blocchi solidi di InTe e delle sue varianti drogate. Questi blocchi sono stati poi macinati in particelle fini e miscelati con un liquido e un legante polimerico per ottenere un inchiostro denso. Usando un processo di serigrafia standard — simile a quello usato per stampare grafiche sulle magliette — l’inchiostro è stato spinto attraverso retini sagomati su fogli di plastica trasparente. Ripetendo la stampa dodici volte si sono ottenuti film uniformi che hanno formato le “gambe” attive del generatore termoelettrico, poi collegate con elettrodi stampati in argento. I dispositivi risultanti erano strisce sottili e leggere, ciascuna contenente otto piccole gambe disposte in serie per accumulare una tensione utile da una differenza di temperatura.

Regolare il materiale dall’interno verso l’esterno

Per ottenere più potenza da InTe, il team ha modificato sottilmente la sua ricetta interna attraverso il co‑doping con bismuto (Bi) e selenio (Se). Sostituendo alcuni atomi di indio con atomi di bismuto più grandi e una piccola parte di tellurio con selenio, hanno alterato il modo in cui i portatori di carica si muovono nel materiale. Misure con raggi X hanno mostrato che questo trattamento ha ingrandito i grani cristallini e ridotto i difetti strutturali, mentre la microscopia elettronica ha rivelato che i film stampati sono diventati più densi e continui. I test elettrici hanno confermato i benefici: la migliore composizione, etichettata In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃, ha mostrato sia portatori di carica più mobili sia un coefficiente di Seebeck molto più elevato. A una differenza di temperatura di 100 gradi, questo film ottimizzato ha prodotto circa 195 millivolt e approssimativamente 29,45 nanowatt di potenza — quasi 30 volte in più rispetto all’InTe non drogato.

Migliorare le prestazioni con una giunzione intelligente

Anche con InTe migliorato, il team ha visto un’ulteriore opportunità: aggiungere un secondo materiale per creare piccole giunzioni interne che guidano la corrente in modo più efficiente. Hanno miscelato biossido di manganese (MnO₂), che si comporta come un conduttore di tipo n, opposto in polarità all’InTe di tipo p. Dove questi due materiali si incontrano si formano giunzioni p–n, che agiscono come rampe interne per separare e dirigere i portatori di carica. Questa versione composita del dispositivo aveva una tensione inferiore rispetto al miglior campione co‑drogato ma una resistenza interna molto più bassa, il che significa che la corrente poteva fluire più facilmente. Di conseguenza, il dispositivo misto In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃/MnO₂ ha erogato circa 48,41 nanowatt alla stessa differenza di temperatura di 100 gradi — circa 1,6 volte più potenza, grazie a percorsi di conduzione migliorati attraverso il film.

Pronto a flettersi, piegarsi e continuare a funzionare

Per i dispositivi indossabili reali, morbidezza e durata possono essere importanti quanto le prestazioni elettriche. I dispositivi stampati sono stati quindi sottoposti a piegature ripetute per verificare se si sarebbero incrinati o avrebbero perso funzionalità. Sottoposti a flessioni fino a 120 gradi e cicli ripetuti 500 volte, la loro resistenza elettrica è cambiata di solo circa il 2 percento, indicando che i film sono rimasti ben aderenti alla plastica e che la loro struttura interna è rimasta intatta. Sebbene i livelli assoluti di potenza siano ancora nell’ordine dei nanowatt e non siano ancora pronti per alimentare dispositivi energivori, si confrontano favorevolmente con altri dispositivi termoelettrici flessibili in fase iniziale presenti in letteratura scientifica.

Cosa significa per la tecnologia di tutti i giorni

In termini semplici, questo lavoro mostra che un materiale relativamente oscuro, l’InTe, può essere trasformato in un inchiostro stampabile a basso costo per strisce flessibili che raccolgono calore. Regolando con attenzione la sua composizione atomica con bismuto e selenio, e aggiungendo poi MnO₂ per creare giunzioni interne intelligenti, i ricercatori hanno migliorato drasticamente l’efficienza con cui queste strisce convertono differenze di temperatura in elettricità — senza sacrificare la flessibilità. Man mano che inchiostri e progettazioni dei dispositivi verranno ulteriormente affinati, film termoelettrici stampati simili potrebbero un giorno essere tessuti negli indumenti, avvolti intorno alle tubazioni o applicati a macchinari e al corpo umano per recuperare piccole ma continue quantità di energia dal calore sprecato.

Citazione: Shankar, M., Prabhu, A. & Nayak, R. Unveiling InTe for flexible thermoelectric applications with enhanced performance via Bi/Se co-doping and MnO₂ integration. Sci Rep 16, 5597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35782-1

Parole chiave: termoelettrici flessibili, recupero del calore di scarto, elettronica stampabile, energia indossabile, tellururo di indio