Esta imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de alta resolución de BaTiS 3 cristales se superponen con ilustraciones que muestran la orientación de los átomos individuales en el cristal. A pesar de la perfección atómica del cristal, es inesperadamente pobre en el transporte de energía térmica. Crédito:Caltech / USC / ORNL
El sólido cristalino BaTiS 3 (sulfuro de titanio y bario) es terrible para conducir el calor, y resulta que un átomo de titanio rebelde que existe en dos lugares al mismo tiempo es el culpable.
El descubrimiento, realizado por investigadores de Caltech, USC, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía (ORNL), fue publicado el 27 de noviembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Proporciona una visión fundamental a nivel atómico de una propiedad térmica inusual que se ha observado en varios materiales. El trabajo es de particular interés para los investigadores que están explorando el uso potencial de sólidos cristalinos con baja conductividad térmica en aplicaciones termoeléctricas. en el que el calor se convierte directamente en energía eléctrica y viceversa.
"Hemos descubierto que los efectos de la mecánica cuántica pueden desempeñar un papel muy importante en el establecimiento de las propiedades de transporte térmico de los materiales incluso en condiciones familiares como la temperatura ambiente, "dice Austin Minnich, profesor de ingeniería mecánica y física aplicada en Caltech y coautor correspondiente de la Comunicaciones de la naturaleza papel.
Los cristales suelen ser buenos para conducir el calor. Por definición, su estructura atómica está muy organizada, lo que permite que las vibraciones atómicas, el calor, fluyan a través de ellos como una onda. Lentes, por otra parte, son terribles para conducir el calor. Su estructura interna es desordenada y aleatoria, lo que significa que las vibraciones, en cambio, saltan de un átomo a otro a medida que pasan.
BaTiS 3 pertenece a una clase de materiales llamados calcogenuros relacionados con la perovskita. Jayakanth Ravichandran, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork de la USC Viterbi, y su equipo los ha estado investigando por sus propiedades ópticas y recientemente comenzó a estudiar sus aplicaciones termoeléctricas.
"Teníamos el presentimiento de que BaTiS 3 tendrá baja conductividad térmica, pero el valor fue inesperadamente bajo. Nuestro estudio muestra un nuevo mecanismo para lograr una baja conductividad térmica, entonces la siguiente pregunta es si los electrones en el sistema fluyen sin problemas a diferencia del calor para lograr buenas propiedades termoeléctricas, "dice Ravichandran.
El equipo descubrió que BaTiS 3 , junto con varios otros sólidos cristalinos, poseía conductividad térmica "similar al vidrio". Su conductividad térmica no solo es comparable a la de los vidrios desordenados, en realidad, empeora a medida que baja la temperatura, que es lo opuesto a la mayoría de los materiales. De hecho, su conductividad térmica a temperaturas criogénicas se encuentra entre las peores jamás observadas en cualquier sólido completamente denso (no poroso).
El equipo descubrió que el átomo de titanio en cada cristal BaTiS3 existe en lo que se conoce como potencial de doble pozo, es decir, hay dos ubicaciones espaciales en la estructura atómica donde el átomo quiere estar. El átomo de titanio que existe en dos lugares al mismo tiempo da lugar a lo que se conoce como un "sistema de dos niveles". En este caso, el átomo de titanio tiene dos estados:un estado fundamental y un estado excitado. Las vibraciones atómicas que pasan son absorbidas por el átomo de titanio, que va del suelo al estado excitado, luego decae rápidamente de nuevo al estado fundamental. La energía absorbida se emite en forma de vibración y en una dirección aleatoria.
El efecto general de esta absorción y emisión de vibraciones es que la energía se dispersa en lugar de transferirse limpiamente. Una analogía sería hacer brillar una luz a través de un vidrio esmerilado, con los átomos de titanio como escarcha; las ondas entrantes se desvían del titanio, y solo una parte atraviesa el material.
Se sabe desde hace mucho tiempo que existen sistemas de dos niveles, pero esta es la primera observación directa de una que fue suficiente para interrumpir la conducción térmica en un material monocristalino en un rango de temperatura extendido, medido aquí entre 50 y 500 Kelvin.
Los investigadores observaron el efecto al bombardear BaTiS 3 cristales con neutrones en un proceso conocido como dispersión inelástica utilizando la fuente de neutrones de espalación en ORNL. Cuando atraviesan los cristales, los neutrones ganan o pierden energía. Esto indica que la energía se absorbe de un sistema de dos niveles en algunos casos y se les imparte en otros.
"Se necesitó un trabajo de detective real para resolver este misterio sobre la estructura y la dinámica de los átomos de titanio. Al principio parecía que los átomos estaban desordenados posicionalmente, pero la poca profundidad del pozo potencial significaba que no podían permanecer en sus posiciones por mucho tiempo, "dice Michael Manley, investigador senior de ORNL y coautor correspondiente del Comunicaciones de la naturaleza papel. Fue entonces cuando Raphael Hermann, investigador en ORNL, sugirió hacer cálculos cuánticos para el pozo doble. "Es bien sabido que los átomos pueden hacer túneles, por supuesto, pero no esperábamos verlo a una frecuencia tan alta con un átomo tan grande en un cristal. Pero la mecánica cuántica es clara:si la barrera entre los pozos es lo suficientemente pequeña, entonces tal tunelización de alta frecuencia es realmente posible y debería resultar en una fuerte dispersión de fonones y, por lo tanto, una conductividad térmica similar al vidrio, "Dice Manley.
El enfoque convencional para crear sólidos cristalinos con baja conductividad térmica es crear muchos defectos en esos sólidos, lo cual es perjudicial para otras propiedades como la conductividad eléctrica. Entonces, Un método para diseñar materiales cristalinos de baja conductividad térmica sin detrimento de las propiedades eléctricas y ópticas es muy deseable para aplicaciones termoeléctricas. Un pequeño puñado de sólidos cristalinos exhibe la misma mala conductividad térmica, por lo que el próximo equipo planea explorar si este fenómeno también es el culpable de esos materiales.
