¿Qué pasaría si pudiera hacer funcionar su aire acondicionado sin electricidad convencional, pero ¿en el calor del sol durante un día caluroso de verano? Con los avances en tecnología termoeléctrica, esta solución sostenible podría convertirse algún día en realidad.

Los dispositivos termoeléctricos están hechos de materiales que pueden convertir una diferencia de temperatura en electricidad, sin necesidad de piezas móviles, una cualidad que convierte a la termoeléctrica en una fuente de electricidad potencialmente atractiva. El fenómeno es reversible:si se aplica electricidad a un dispositivo termoeléctrico, puede producir una diferencia de temperatura. Hoy dia, Los dispositivos termoeléctricos se utilizan para aplicaciones de relativamente baja potencia, como alimentar pequeños sensores a lo largo de oleoductos, hacer copias de seguridad de las baterías de las sondas espaciales, y mini refrigeradores de enfriamiento.

Pero los científicos esperan diseñar dispositivos termoeléctricos más potentes que recolecten calor —producido como subproducto de procesos industriales y motores de combustión— y conviertan ese calor desperdiciado en electricidad. Sin embargo, la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos, o la cantidad de energía que pueden producir, actualmente es limitado.

Ahora, los investigadores del MIT han descubierto una forma de triplicar esa eficiencia, utilizando materiales "topológicos", que tienen propiedades electrónicas únicas. Si bien el trabajo anterior ha sugerido que los materiales topológicos pueden servir como sistemas termoeléctricos eficientes, Ha habido poca comprensión sobre cómo los electrones en tales materiales topológicos viajarían en respuesta a las diferencias de temperatura para producir un efecto termoeléctrico.

En un artículo publicado esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , los investigadores del MIT identifican la propiedad subyacente que hace que ciertos materiales topológicos sean un material termoeléctrico potencialmente más eficiente, en comparación con los dispositivos existentes.

"Descubrimos que podemos ampliar los límites de este material nanoestructurado de una manera que hace que los materiales topológicos sean un buen material termoeléctrico, más que los semiconductores convencionales como el silicio, "dice Te-Huan Liu, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "En el final, esta podría ser una forma de energía limpia para ayudarnos a utilizar una fuente de calor para generar electricidad, lo que disminuirá nuestra liberación de dióxido de carbono ".

Liu es el primer autor de la PNAS papel, que incluye a los estudiantes de posgrado Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, y Qichen Song; Mingda Li, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear; ex estudiante de posgrado Bolin Liao, ahora es profesor asistente en la Universidad de California en Santa Bárbara; Liang Fu, el profesor asociado de física Biedenharn; y Gang Chen, el profesor Soderberg y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica.

Un camino recorrido libremente

Cuando un material termoeléctrico se expone a un gradiente de temperatura, por ejemplo, un extremo se calienta, mientras que el otro se enfría:los electrones de ese material comienzan a fluir desde el extremo caliente al extremo frío, generando una corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, cuanta más corriente eléctrica se produzca, y se genera más energía. La cantidad de energía que se puede generar depende de las propiedades particulares de transporte de los electrones en un material dado.

Los científicos han observado que algunos materiales topológicos se pueden convertir en dispositivos termoeléctricos eficientes a través de la nanoestructuración, una técnica que utilizan los científicos para sintetizar un material modelando sus características en la escala de nanómetros. Los científicos han pensado que la ventaja termoeléctrica de los materiales topológicos proviene de una conductividad térmica reducida en sus nanoestructuras. Pero no está claro cómo esta mejora en la eficiencia se conecta con las características inherentes del material, propiedades topológicas.

Para intentar responder a esta pregunta, Liu y sus colegas estudiaron el rendimiento termoeléctrico del telururo de estaño, un material topológico que se sabe que es un buen material termoeléctrico. Los electrones del telururo de estaño también exhiben propiedades peculiares que imitan una clase de materiales topológicos conocidos como materiales de Dirac.

El equipo tenía como objetivo comprender el efecto de la nanoestructuración en el rendimiento termoeléctrico del telururo de estaño, simulando la forma en que los electrones viajan a través del material. Para caracterizar el transporte de electrones, Los científicos suelen utilizar una medida denominada "trayectoria libre media, "o la distancia promedio que un electrón con una energía dada viajaría libremente dentro de un material antes de ser dispersado por varios objetos o defectos en ese material.

Los materiales nanoestructurados se asemejan a un mosaico de cristales diminutos, cada uno con bordes, conocido como límites de grano, que separan un cristal de otro. Cuando los electrones encuentran estos límites, tienden a dispersarse de diversas formas. Los electrones con trayectorias libres medias largas se dispersarán fuertemente, como balas que rebotan en una pared, mientras que los electrones con trayectos libres medios más cortos se ven mucho menos afectados.

En sus simulaciones, Los investigadores encontraron que las características de los electrones del telururo de estaño tienen un impacto significativo en sus trayectorias libres medias. Trazaron el rango de energías electrónicas del telururo de estaño contra los caminos libres medios asociados, y descubrió que el gráfico resultante se veía muy diferente a los de la mayoría de los semiconductores convencionales. Específicamente, para telururo de estaño y posiblemente otros materiales topológicos, los resultados sugieren que los electrones con mayor energía tienen un camino libre medio más corto, mientras que los electrones de menor energía suelen poseer un camino libre medio más largo.

Luego, el equipo analizó cómo estas propiedades de los electrones afectan el rendimiento termoeléctrico del telururo de estaño, esencialmente sumando las contribuciones termoeléctricas de electrones con diferentes energías y caminos libres medios. Resulta que la capacidad del material para conducir electricidad, o generar un flujo de electrones, bajo un gradiente de temperatura, depende en gran medida de la energía de los electrones.

Específicamente, encontraron que los electrones de menor energía tienden a tener un impacto negativo en la generación de una diferencia de voltaje, y por tanto corriente eléctrica. Estos electrones de baja energía también tienen caminos libres medios más largos, lo que significa que pueden dispersarse por los límites de los granos de manera más intensa que los electrones de mayor energía.

Reducir el tamaño

Dando un paso más en sus simulaciones, el equipo jugó con el tamaño de los granos individuales del telururo de estaño para ver si esto tenía algún efecto sobre el flujo de electrones bajo un gradiente de temperatura. Descubrieron que cuando disminuían el diámetro de un grano promedio a unos 10 nanómetros, acercando sus fronteras, observaron una mayor contribución de los electrones de mayor energía.

Es decir, con tamaños de grano más pequeños, los electrones de mayor energía contribuyen mucho más a la conducción eléctrica del material que los electrones de menor energía, ya que tienen caminos libres medios más cortos y es menos probable que se dispersen contra los límites de grano. Esto da como resultado una mayor diferencia de voltaje que se puede generar.

Y lo que es más, los investigadores encontraron que la disminución del tamaño de grano promedio del telururo de estaño a aproximadamente 10 nanómetros producía tres veces la cantidad de electricidad que el material habría producido con granos más grandes.

Liu dice que si bien los resultados se basan en simulaciones, los investigadores pueden lograr un rendimiento similar sintetizando telururo de estaño y otros materiales topológicos, y ajustar su tamaño de grano mediante una técnica de nanoestructuración. Otros investigadores han sugerido que reducir el tamaño de grano de un material podría aumentar su rendimiento termoeléctrico, pero Liu dice que en su mayoría han asumido que el tamaño ideal sería mucho mayor que 10 nanómetros.

"En nuestras simulaciones, descubrimos que podemos reducir el tamaño de grano de un material topológico mucho más de lo que se pensaba anteriormente, y en base a este concepto, podemos aumentar su eficiencia, "Dice Liu.

El telururo de estaño es solo un ejemplo de muchos materiales topológicos que aún no se han explorado. Si los investigadores pueden determinar el tamaño de grano ideal para cada uno de estos materiales, Liu dice que los materiales topológicos pronto serán viables, alternativa más eficiente a la producción de energía limpia.

"Creo que los materiales topológicos son muy buenos para los materiales termoeléctricos, y nuestros resultados muestran que este es un material muy prometedor para aplicaciones futuras, "Dice Liu.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.