Los mismos investigadores que fueron pioneros en el uso de un efecto mecánico cuántico para convertir el calor en electricidad han descubierto cómo hacer que su técnica funcione de una forma más adecuada para la industria.

En Comunicaciones de la naturaleza , ingenieros de la Universidad Estatal de Ohio describen cómo utilizaron el magnetismo en un compuesto de níquel y platino para amplificar la salida de voltaje 10 veces o más, no en una película delgada, como lo habían hecho anteriormente, pero en una pieza de material más gruesa que se asemeja más a los componentes de los futuros dispositivos electrónicos.

Muchos dispositivos eléctricos y mecánicos, como los motores de los coches, producen calor como subproducto de su funcionamiento normal. Se llama "calor residual, "y su existencia es requerida por las leyes fundamentales de la termodinámica, explicó el coautor del estudio Stephen Boona.

Pero un área de investigación en crecimiento llamada termoeléctrica de estado sólido tiene como objetivo capturar ese calor residual dentro de materiales especialmente diseñados para generar energía y aumentar la eficiencia energética general.

"Más de la mitad de la energía que utilizamos se desperdicia y entra a la atmósfera en forma de calor, "dijo Boona, investigador postdoctoral en el estado de Ohio. "Los termoeléctricos de estado sólido pueden ayudarnos a recuperar parte de esa energía. Estos dispositivos no tienen partes móviles, no te gastes, son robustos y no requieren mantenimiento. Desafortunadamente, hasta la fecha, también son demasiado costosos y no lo suficientemente eficientes como para justificar un uso generalizado. Estamos trabajando para cambiar eso ".

En 2012, el mismo grupo de investigación del estado de Ohio, dirigido por Joseph Heremans, demostró que los campos magnéticos podrían impulsar un efecto mecánico cuántico llamado efecto Spin Seebeck, y, a su vez, aumenta la salida de voltaje de películas delgadas hechas de materiales nanoestructurados exóticos de unos pocos microvoltios a unos pocos milivoltios.

En este último avance, han aumentado la producción de un compuesto de dos metales muy comunes, níquel con una pizca de platino, desde unos pocos nanovoltios hasta decenas o cientos de nanovoltios, un voltaje menor, pero en un dispositivo mucho más simple que no requiere nanofabricación y puede ampliarse fácilmente para la industria.

Heremans, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y el académico eminente de Ohio en nanotecnología, dijo eso, hasta cierto punto, El uso de la misma técnica en piezas de material más gruesas requirió que él y su equipo reconsideraran las ecuaciones que gobiernan la termodinámica y la termoelectricidad. que se desarrollaron antes de que los científicos conocieran la mecánica cuántica. Y aunque la mecánica cuántica a menudo se refiere a fotones, ondas y partículas de luz, la investigación de Heremans se refiere a magnones, ondas y partículas de magnetismo.

"Básicamente, La termodinámica clásica cubre las máquinas de vapor que utilizan vapor como fluido de trabajo, o motores a reacción o motores de automóviles que utilizan aire como fluido de trabajo. Los termoeléctricos utilizan electrones como fluido de trabajo. Y en este trabajo estamos usando cuantos de magnetización, o 'magnones, 'como fluido de trabajo, "Dijo Heremans.

Hasta ahora, la investigación en termodinámica basada en magnones se realizaba siempre en películas delgadas —quizá sólo unos pocos átomos de espesor— e incluso las películas de mejor rendimiento producen voltajes muy pequeños.

En el documento de 2012, su equipo describió cómo golpear electrones con magnones para empujarlos a través de materiales termoeléctricos. En el artículo actual de Nature Communications, han demostrado que la misma técnica se puede utilizar en piezas a granel de materiales compuestos para mejorar aún más la recuperación de calor residual.

En lugar de aplicar una fina película de platino sobre un material magnético como podrían haber hecho antes, los investigadores distribuyeron una cantidad muy pequeña de nanopartículas de platino al azar en un material magnético; en este caso, níquel. El compuesto resultante produjo una salida de voltaje mejorada debido al efecto Spin Seebeck. Esto significa que para una determinada cantidad de calor, el material compuesto generó más energía eléctrica de la que podría generar cualquier material por sí solo. Dado que toda la pieza de material compuesto es eléctricamente conductora, otros componentes eléctricos pueden extraer el voltaje con mayor eficiencia en comparación con una película.

Si bien el compuesto aún no es parte de un dispositivo del mundo real, Heremans confía en que la prueba de principio establecida por este estudio inspirará más investigaciones que puedan conducir a aplicaciones para generadores de calor residual comunes. incluidos los motores de automóviles y a reacción. La idea es muy general, él agregó, y se puede aplicar a una variedad de combinaciones de materiales, permitiendo enfoques completamente nuevos que no requieren metales costosos como el platino o procedimientos de procesamiento delicados como el crecimiento de película delgada.