La búsqueda de materiales nuevos y más eficientes que incluyan composiciones químicas complejas ha requerido mucha mano de obra, ha requerido pruebas experimentales de cada nueva composición multimaterial propuesta y, a menudo, ha implicado el uso de elementos tóxicos o raros. En un artículo publicado en la revista Science , investigadores de la Universidad de Houston y la Universidad Rice informan sobre un nuevo enfoque para predecir la realización de la convergencia de bandas en una serie de materiales.

Después de demostrar que un material así diseñado, un compuesto Zintl tipo p, ofrecería un rendimiento termoeléctrico altamente eficiente, fabricaron un módulo termoeléctrico e informaron una eficiencia de conversión de calor a electricidad superior al 10% a una diferencia de temperatura de 475 Kelvin. o alrededor de 855 grados Fahrenheit.

Zhifeng Ren, director del Centro de Superconductividad de Texas en UH (TcSUH) y autor correspondiente del artículo, dijo que el rendimiento de los materiales se mantuvo estable durante más de dos años.

Si bien se han utilizado diversos enfoques para mejorar la eficiencia, un concepto conocido como convergencia de banda electrónica ha llamado la atención por su potencial para mejorar el rendimiento termoeléctrico.

"Normalmente es difícil obtener un alto rendimiento de los materiales termoeléctricos porque no todas las bandas electrónicas de un material contribuyen", dijo Ren. "Es aún más difícil hacer un material complejo en el que todas las bandas trabajen al mismo tiempo para conseguir la mejor interpretación".

Para este trabajo, dijo, los científicos se centraron primero en idear un cálculo para determinar cómo construir un material en el que todas las diferentes bandas de energía puedan contribuir al rendimiento general. Luego demostraron que el cálculo funcionaba tanto en la práctica como en la teoría, construyendo un módulo para verificar aún más el alto rendimiento obtenido a nivel del dispositivo.

La convergencia de banda se considera un buen enfoque para mejorar los materiales termoeléctricos porque aumenta el factor de potencia termoeléctrico, que está relacionado con la potencia de salida real del módulo termoeléctrico. Pero hasta ahora, descubrir nuevos materiales con una fuerte convergencia de bandas consumía mucho tiempo y daba lugar a muchos comienzos en falso.

"El enfoque estándar es prueba y error", dijo Ren, quien también es catedrático Paul C.W. Chu y May P. Chern de Física de la Materia Condensada en la UH. "En lugar de hacer muchos experimentos, este método nos permite eliminar posibilidades innecesarias que no darán mejores resultados."

Para predecir de manera eficiente cómo crear el material más efectivo, los investigadores utilizaron una aleación de Zintl de alta entropía, YbxCa_1-x. MgyZn_{2 años} Sb₂ , como caso de estudio, diseñando una serie de composiciones mediante las cuales se consiguió la convergencia de bandas de forma simultánea en todas las composiciones.

Ren describió cómo funciona así:si un equipo de 10 personas intenta levantar un objeto, los miembros más altos llevarán la mayor parte de la carga, mientras que los miembros más bajos no contribuirán tanto. En la convergencia de bandas, el objetivo es hacer que todos los miembros del equipo de la banda sean más similares (los miembros altos de la banda serían más bajos, en este ejemplo, y los miembros bajos, más altos) para que todos puedan contribuir a soportar la carga general.

Aquí, los investigadores comenzaron con cuatro compuestos originales que contenían cinco elementos en total (iterbio, calcio, magnesio, zinc y antimonio) y realizaron cálculos para determinar qué combinaciones de los compuestos originales podrían alcanzar la convergencia de bandas. Una vez determinado esto, eligieron la mejor entre estas composiciones de alto rendimiento para construir el dispositivo termoeléctrico.

"Sin este método, habría que experimentar y probar todas las posibilidades", dijo Xin Shi, estudiante graduado de la UH en el grupo de Ren y autor principal del artículo. "No hay otra manera de hacer eso. Ahora, primero hacemos un cálculo, diseñamos un material y luego lo fabricamos y lo probamos".

El método de cálculo también podría utilizarse para otros materiales multicompuestos, lo que permitiría a los investigadores utilizar este enfoque para crear nuevos materiales termoeléctricos. Una vez que se identifican los compuestos originales adecuados, el cálculo determina qué proporción de cada uno debe usarse en la aleación final.

Además de Ren y Shi, los autores del artículo incluyen al Dr. Shaowei Song, investigador del Centro de Superconductividad de Texas, y al Dr. Guanhui Gao del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de Rice. Gao está ahora en la UH.