Así como un interruptor eléctrico regula el flujo de corriente eléctrica, los interruptores térmicos pueden controlar el flujo de calor. Estos interruptores sirven como dispositivos de control térmico y son útiles para aplicaciones de gestión térmica. Por ejemplo, se pueden usar en industrias para reducir el calor residual, lo que genera ahorros en costos y energía. Estos interruptores requieren materiales cuya conductividad térmica (κ) pueda modularse en gran medida. Esto permitiría que el interruptor tuviera un estado de "encendido" y "apagado" dependiendo de la conductividad térmica. Sin embargo, tales materiales son raros y difíciles de desarrollar, y los que se han desarrollado muestran solo pequeñas variaciones reversibles en su κ.

Ahora, en un estudio publicado en Advanced Electronic Materials , investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, han llevado las cosas al siguiente nivel con un material que puede lograr una gran variación en su κ al cambiar la dimensionalidad de su estructura cristalina. El equipo logró esta notable hazaña mediante el uso de una solución sólida de seleniuro de plomo (PbSe) y seleniuro de estaño (SnSe), que puede cambiar entre una estructura cristalina cúbica tridimensional (3D) y una estructura cristalina en capas bidimensional (2D) con cambios de temperatura.

En los sólidos, el calor es transportado por dos procesos diferentes, a saber, las vibraciones de la red cristalina y el flujo de portadores de carga eléctrica. Por lo tanto, la conductividad térmica de un sólido depende tanto de la estructura cristalina como de la estructura electrónica.

En su estudio, los investigadores pudieron obtener diferentes valores de κ en un (Pb_0.5 Sn_0.5 )Se alea cambiando la dimensionalidad de la estructura cristalina debido a las diferentes disposiciones de los átomos y las bandas prohibidas en cada estructura cristalina en relación con la otra. "El material que elegimos para nuestro estudio son policristales a granel de (Pb_0.5 Sn_0.5 )Se, que muestra un límite de fase directo entre las estructuras cristalinas 3D y 2D. Logramos esto mediante el enfriamiento térmico de la fase de solución sólida de alta temperatura a temperatura ambiente", explica el profesor Takayoshi Katase de Tokyo Tech, quien participó en el estudio.

Los investigadores pudieron cambiar reversiblemente entre las dimensionalidades de la estructura cristalina 3D y 2D del (Pb_0.5 Sn_0.5 )Se policristales simplemente calentando y enfriando el material. En el estado calentado, el material asumió una estructura cristalina 3D con una estructura electrónica metálica, lo que resultó en una alta conductividad térmica tanto electrónica como reticular. Cuando se enfrió, por otro lado, cambió a una estructura de cristal 2D con una estructura electrónica semiconductora y un κ muy reducido. A una temperatura de 373 K (100 °C), se observó que el κ de la fase 3D era 3,6 veces mayor que el de la fase 2D.

Este nuevo enfoque para alterar κ podría allanar el camino para el diseño de más materiales de este tipo con aplicaciones potenciales en la gestión térmica. "Creemos que la estrategia actual conducirá a un concepto novedoso para diseñar material de conmutación térmica mediante el cambio de la dimensionalidad de la estructura cristalina a través de los límites de fase que no están en equilibrio", dice el profesor Katase. + Explora más

Cambio gigante de conductividad electrónica impulsado por un interruptor artificial de dimensionalidad cristalina