Un nuevo tipo de material genera corriente eléctrica de manera muy eficiente a partir de las diferencias de temperatura. Esto permite que los sensores y pequeños procesadores se suministren energía de forma inalámbrica.

Los materiales termoeléctricos pueden convertir el calor en energía eléctrica. Esto se debe al llamado efecto Seebeck:si hay una diferencia de temperatura entre los dos extremos de dicho material, Se puede generar voltaje eléctrico y la corriente puede comenzar a fluir. La cantidad de energía eléctrica que se puede generar a una diferencia de temperatura dada se mide mediante el llamado valor ZT:cuanto mayor es el valor ZT de un material, cuanto mejores sean sus propiedades termoeléctricas.

Los mejores termoeléctricos hasta la fecha se midieron con valores ZT de alrededor de 2,5 a 2,8. Los científicos de TU Wien (Viena) han logrado desarrollar un material completamente nuevo con un valor ZT de 5 a 6. Es una capa delgada de hierro, vanadio, tungsteno y aluminio aplicados a un cristal de silicio.

El nuevo material es tan efectivo que podría usarse para proporcionar energía a sensores o incluso a pequeños procesadores de computadora. En lugar de conectar pequeños dispositivos eléctricos a cables, podrían generar su propia electricidad a partir de las diferencias de temperatura. El nuevo material ya se ha presentado en la revista. Naturaleza .

Electricidad y temperatura

"Un buen material termoeléctrico debe mostrar un fuerte efecto Seebeck, y tiene que cumplir dos requisitos importantes que son difíciles de conciliar, "dice el profesor Ernst Bauer del Instituto de Física del Estado Sólido en TU Wien." Por un lado, debe conducir la electricidad lo mejor posible; por otra parte, debe transportar el calor lo menos posible. Esto es un desafío porque la conductividad eléctrica y la conductividad térmica suelen estar estrechamente relacionadas ".

En el Laboratorio Christian Doppler para termoelectricidad, que Ernst Bauer estableció en TU Wien en 2013, En los últimos años se han estudiado diferentes materiales termoeléctricos para diferentes aplicaciones. Esta investigación ha llevado ahora al descubrimiento de un material particularmente notable:una combinación de hierro, vanadio, tungsteno y aluminio.

"Los átomos de este material suelen estar dispuestos en un patrón estrictamente regular en la llamada red cúbica centrada en la cara, "dice Ernst Bauer." La distancia entre dos átomos de hierro es siempre la misma, y lo mismo es cierto para los otros tipos de átomos. Por lo tanto, todo el cristal es completamente regular ".

Sin embargo, cuando se aplica una fina capa del material al silicio, sucede algo asombroso:la estructura cambia radicalmente. Aunque los átomos todavía forman un patrón cúbico, ahora están dispuestos en una estructura centrada en el espacio, y la distribución de los diferentes tipos de átomos se vuelve completamente aleatoria. "Dos átomos de hierro pueden sentarse uno al lado del otro, los lugares próximos a ellos pueden estar ocupados por vanadio o aluminio, y ya no hay ninguna regla que dicte dónde se encuentra el próximo átomo de hierro en el cristal, "explica Bauer.

Esta mezcla de regularidad e irregularidad de la disposición atómica también cambia la estructura electrónica, que determina cómo se mueven los electrones en el sólido. "La carga eléctrica se mueve a través del material de una manera especial, para que esté protegido de los procesos de dispersión. Las porciones de carga que viajan a través del material se denominan Weyl Fermions, "dice Ernst Bauer. De esta manera, se consigue una resistencia eléctrica muy baja.

Vibraciones de celosía, por otra parte, que transportan calor de lugares de alta temperatura a lugares de baja temperatura, son inhibidos por las irregularidades en la estructura cristalina. Por lo tanto, la conductividad térmica disminuye. Esto es importante si se va a generar energía eléctrica de forma permanente a partir de una diferencia de temperatura, porque si las diferencias de temperatura pudieran equilibrarse muy rápidamente y todo el material pronto tendría la misma temperatura en todas partes, el efecto termoeléctrico se detendría.

Electricidad para Internet de las cosas

"Por supuesto, una capa tan delgada no puede generar una cantidad particularmente grande de energía, pero tiene la ventaja de ser extremadamente compacto y adaptable, ", dice Ernst Bauer. Queremos utilizarlo para proporcionar energía para sensores y pequeñas aplicaciones electrónicas". La demanda de generadores a pequeña escala está creciendo rápidamente:en el "Internet de las cosas, "Cada vez hay más dispositivos conectados entre sí en línea para que coordinen automáticamente su comportamiento entre sí. Esto es particularmente prometedor para las futuras plantas de producción, donde una máquina tiene que reaccionar dinámicamente a otra.

"Si necesita una gran cantidad de sensores en una fábrica, no se pueden conectar todos juntos. Es mucho más inteligente que los sensores puedan generar su propia energía utilizando un pequeño dispositivo termoeléctrico, "dice Bauer.