Explorando un área ignorada por otros científicos, Los físicos del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético con sede en la Universidad Estatal de Florida han descubierto que una clase de materiales llamados "1-2-20" tienen propiedades termoeléctricas muy prometedoras, abriendo las compuertas para una mayor investigación de estos fascinantes materiales.

El estudio fue publicado en Avances de la ciencia .

Los dispositivos termoeléctricos pueden producir electricidad si hay una diferencia de temperatura entre los dos extremos. También pueden hacer lo contrario:usar electricidad para absorber o liberar calor. Esta propiedad tiene muchas aplicaciones potenciales, desde la refrigeración sin compresores hasta la generación de energía en el espacio y la recuperación de toda la energía desperdiciada por los motores de los automóviles (alrededor del 40 por ciento) que se escapa a través del calor.

"No es energía gratis, "dijo el físico de MagLab Ryan Baumbach, autor correspondiente en el artículo, "pero es la mejor opción".

La mayoría de los materiales tienen muy poco efecto termoeléctrico. Esto se debe a que la transferencia de electricidad a través de un material y la transferencia de calor suelen ir de la mano. En general, la naturaleza quiere mantener el calor y la conductividad eléctrica vinculados, pero para tener un buen rendimiento termoeléctrico, estas dos propiedades deben desacoplarse.

Hace unos dos años, Baumbach sugirió que Kaya Wei, becario postdoctoral Jack Crow de MagLab y miembro del grupo de investigación de Baumbach, Estudie un material "1-2-20" que parezca un buen candidato para la termoelectricidad.

El material específico propuesto por Baumbach presentaba tres ingredientes básicos en una proporción "1-2-20":el elemento iterbio; un metal de transición (cobalto, rodio o iridio); y el elemento zinc. Baumbach tuvo el presentimiento de que este compuesto tenía lo que se necesita, si se manipula correctamente en su laboratorio, burlarse de la naturaleza y desvincular la conductividad térmica de la conductividad térmica.

Usando hornos de alta temperatura en el laboratorio de Baumbach, Wei sintetizó el compuesto en forma de cristal y sometió las muestras a una serie de medidas. Los resultados confirmaron que, a bajas temperaturas, el material era de hecho un material termoeléctrico prometedor.

Luego llegó el momento de empezar a jugar con las variables para ver qué más podían descubrir.

"Diferentes composiciones promueven propiedades físicas bastante diferentes, "dijo Wei, el autor principal del artículo.

Construyendo una mejor termoeléctrica

Los investigadores querían hacer un material tan optimizado termoeléctricamente como pudieran, una propiedad representada por un parámetro llamado figura termoeléctrica de mérito (o ZT). Para hacer eso, necesitaban ajustar su cristal para:1. Maximizar su conductividad eléctrica; 2. Minimizar su conductividad térmica; y 3. Desarrollar un gran voltaje cuando se aplica un pequeño gradiente de temperatura (es decir, cuando un extremo es ligeramente más cálido que el otro), una propiedad medida por un valor llamado coeficiente de Seebeck.

El primer objetivo fue el más fácil:el material ya era un buen conductor en gran parte gracias al zinc y al metal de transición.

Los otros goles fueron más complicados. Para lograr el segundo, los científicos necesitaban sabotear los fonones que son en gran parte responsables de transportar el calor. Los fonones son vibraciones que se propagan a través de la red atómica tridimensional de un material:de esta manera, la energía absorbida por un átomo puede ondular, átomo a átomo, en todo el material.

Afortunadamente, inherente a la estructura misma de los materiales 1-2-20 era una forma de lanzar obstáculos masivos de fonones.

El cristal que hizo Wei tenía una estructura similar a una jaula que comprendía 20 átomos de zinc que albergaban un átomo de iterbio. El átomo de iterbio traquetea en la jaula, interfiriendo con la capacidad de los fonones para disipar el calor a través del material.

La celda unitaria grande del cristal refuerza este efecto. Los fonones están esparcidos por todas partes.

El iterbio aporta otro ingrediente importante al éxito termoeléctrico del compuesto. Contiene un tipo de electrón llamado "electrón f". Sin ser demasiado mecánico cuántico, Los electrones f tienden a permanecer lo suficientemente cerca del núcleo para mantener un carácter magnético. En iterbio y algunos otros casos especiales, sin embargo, Los electrones f vacilan entre agarrarse con fuerza al núcleo y aventurarse hacia los átomos vecinos.

"Los electrones de iterbio f son especiales porque tienen una dualidad entre estar localizados y deslocalizados, "Explicó Baumbach." Esto ayuda a explicar el gran coeficiente de Seebeck del material ".

Próximos pasos

Ahora que han descubierto y comprendido mejor esta receta de termoelectricidad, Baumbach y Wei están explorando más.

Los valores de ZT de los compuestos que probaron alcanzan su punto máximo a temperaturas muy bajas, alrededor de -400 grados Fahrenheit o -240 grados Celsius. Esto sería útil en el espacio o solo para otras aplicaciones de baja temperatura. Pero al experimentar con los ingredientes específicos en sus 1-2-20, los científicos dicen que pueden lograr diferentes resultados.

"Hay tantas variantes químicas para la familia de compuestos 1-2-20, "Wei dijo." No es solo que cambiarías el 100 por ciento de un elemento u otro, pero podrías hacer una sustitución química. Y nuestra esperanza es al hacer eso, podremos movernos alrededor de la temperatura donde el valor ZT alcanza su punto máximo y encontrar materiales para diferentes aplicaciones ".

Aunque satisfecho con su éxito, Baumbach y Wei parecen aún más emocionados de haber abierto una nueva lata de gusanos con su ciencia que atraerá a bandadas de otros investigadores.

"Estos tipos son solo algunos ejemplos de una gran familia de materiales, ", Dijo Baumbach." Creemos que este trabajo estimulará mucho interés de grupos fuera del nuestro ".