Bruce White trabajó con semiconductores y transistores en Motorola y Texas Instruments. Pero cuando dejó la industria para ocupar un puesto en la facultad de la Universidad de Binghamton, el científico de materiales decidió llevar su investigación en una nueva dirección. "No quería seguir trabajando en los transistores y la memoria, ", Dice White." Quería tratar de aplicar esas herramientas a los grandes problemas que afectan a la sociedad ".
La energía es uno de esos grandes problemas; en los Estados Unidos, más de la mitad de la energía que quemamos cada año se pierde en forma de calor en lugar de utilizarse.
"Hacemos todo este trabajo para sacar el petróleo del suelo y refinarlo, pero cuando intentamos trabajar con él, la mayor parte de la energía sale por el tubo de escape de un automóvil o por la chimenea de una central eléctrica, "Dice White." Incluso si pudiéramos recuperar una pequeña fracción de lo que tiramos como calor, eso tendría un impacto significativo en nuestro uso de energía ".
Hay formas de convertir el calor en electricidad. Si un material está caliente por un lado y frío por el otro, el flujo de calor de lo caliente a lo frío se puede convertir en electricidad. Pero la mayoría de los materiales termoeléctricos en el mercado hoy en día no son muy buenos para hacer eso. La parte complicada White dice, es conseguir que el calor fluya a través del material en la parte posterior de los electrones. En la mayoría de los materiales, el calor fluye en una onda que simplemente hace que los átomos del material vibren más rápido. Ese no es un fenómeno útil, y acaba destruyendo el importante diferencial frío-calor. En muchos materiales, la vibración de los átomos se lleva el 90 por ciento del calor antes de que pueda aprovecharse.
El objetivo de White es crear materiales en los que se minimicen los efectos vibratorios, o en otras palabras, donde un mayor porcentaje del calor es transportado por electrones, creando un flujo de electricidad. También cree que es importante asegurarse de que esos materiales sean abundantes y no tóxicos.
White pudo haber encontrado un candidato en el óxido de zinc, una sustancia que se utiliza en muchas marcas de bloqueadores solares. El óxido de zinc es abundante, barato y seguro, y resulta ser muy bueno para mover electrones. Desafortunadamente, en su estado normal, El óxido de zinc tiene una estructura molecular que transporta el calor mediante la vibración de átomos en lugar de convertirlo en electricidad.
Al manipular el óxido de zinc a nivel molecular, White y sus colegas pueden mejorar la generación de electricidad. Primero, estiran el material en cables que miden 50 nanómetros de ancho. (Eso es aproximadamente 10, 000 veces más delgado que un cabello humano). Esa increíble delgadez cambia la forma en que el calor se propaga a través del material. Próximo, incrustan los nanocables en un aerogel de sílice, una sustancia que es terrible para conducir el calor. Debido a las interacciones interesantes y únicas que ocurren a escalas muy pequeñas, Los nanocables pueden adquirir las propiedades de los materiales circundantes. En este caso, los cables se convirtieron en conductores de calor muy deficientes. Su capacidad para conducir calor a través de vibraciones atómicas se redujo en un factor de 10, por lo que su eficiencia para convertir el calor en electricidad se disparó. Los resultados se publicaron en abril de 2013 en Letras de física aplicada , la revista superior en el campo.
Lo que es particularmente emocionante de este descubrimiento, White dice, es que los materiales de los cables y el aerogel se pueden mezclar y combinar para personalizar las propiedades termoeléctricas para diferentes aplicaciones, como aprovechar el calor residual de una planta de energía, horno de coche u hogar. Dado que los aerogeles son casi transparentes, White incluso prevé fabricar revestimientos para ventanas que aprovechen las diferencias de temperatura interior y exterior para generar electricidad.
Con los materiales adecuados, puede ser posible eliminar por completo el motor de combustión interna. White y los miembros de su laboratorio creen que pueden tener una forma de hacerlo. Todo se reduce al silicio que es un excelente semiconductor, por eso nuestros dispositivos electrónicos están basados en silicio, pero también es muy bueno para conducir el calor a través de vibraciones atómicas. El grupo de White se está deshaciendo de esas vibraciones construyendo un compuesto de silicio y estaño utilizando una nueva técnica de fabricación que hace crecer el material capa por capa.
El trabajo llamó la atención de la Oficina de Investigación Naval, que proporciona fondos para la investigación de White. "Es su método de fabricación lo que realmente lo hace diferente, "dice Robert Walters, Jefe de la Subdivisión de Dispositivos de Estado Sólido del Laboratorio de Investigaciones Navales. "Bruce ha desarrollado la técnica de fabricación que creemos que realmente logrará la estructura estratificada de silicio y estaño, que creemos que realmente necesitamos tener para desacoplar las propiedades térmicas y eléctricas del silicio. … Es una muy buena idea. Es innovador y diferente de otras cosas que hemos visto ".
El nuevo material compuesto tiene una conductividad térmica de 1, 000 veces más bajo que el silicio normal. El grupo espera hacerlo tres veces más bajo haciendo que el cristal sea más puro y con un patrón más uniforme. Si la conductividad térmica es tan baja, el material sería tan bueno para convertir el calor en electricidad que podría impulsar un automóvil con la quema de una llama.
Eso está muy lejos en el futuro aunque. Mientras trabajan en el perfeccionamiento de los materiales que ya han desarrollado, El grupo de White está a punto de crear materiales menos extremos que aún podrían tener un gran impacto. Materiales que aprovechan el calor, que podría instalarse en el tubo de escape o el radiador de un automóvil, pronto podría generar suficiente electricidad para alimentar la electrónica del automóvil. "Eso por sí solo podría aumentar la eficiencia del combustible en unas pocas millas por galón, "Dice White." Cuando piensas en integrarlo en toda la flota automotriz, Eso hace una gran diferencia."
