Aprovechando los avances recientes en el uso de cálculos teóricos para predecir las propiedades de nuevos materiales, investigadores informaron el jueves sobre el descubrimiento de una nueva clase de compuestos termoeléctricos de medio Heusler, incluido uno con una cifra récord de mérito, una métrica utilizada para determinar la eficiencia con la que un material termoeléctrico puede convertir el calor en electricidad.

"Mantuvo la alta cifra de mérito a todas las temperaturas, por lo que potencialmente podría ser importante en aplicaciones futuras, "dijo el físico Zhifeng Ren, director del Centro de Superconductividad de Texas en la Universidad de Houston (TcSUH) y autor correspondiente en un artículo que informa sobre el trabajo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

Los materiales termoeléctricos han atraído un interés creciente en la comunidad investigadora como una fuente potencial de energía "limpia", producido cuando el material convierte el calor, a menudo el calor residual generado por las centrales eléctricas u otros procesos industriales, en electricidad.

Se han descubierto varios materiales prometedores, aunque la mayoría no ha podido cumplir con todos los requisitos para aplicaciones comerciales generalizadas. Los investigadores dijeron que su descubrimiento de compuestos de medio Heusler compuestos de tantalio, el hierro y el antimonio arrojaron resultados que son "bastante prometedores para la generación de energía termoeléctrica".

Los investigadores midieron la eficiencia de conversión de un compuesto en un 11,4 por ciento, lo que significa que el material producía 11,4 vatios de electricidad por cada 100 vatios de calor que absorbía. Los cálculos teóricos sugieren que la eficiencia podría alcanzar el 14 por ciento. dijo Ren, quien también es profesor de física de la cátedra M.D. Anderson en la UH. Señaló que muchos dispositivos termoeléctricos tendrán aplicaciones prácticas con una eficiencia de conversión del 10 por ciento.

En todo, los investigadores predijeron seis compuestos no reportados previamente y sintetizaron con éxito uno, que entregó un alto rendimiento sin el uso de elementos costosos.

"Hemos descubierto 6 compuestos indocumentados y 5 de ellos son estables con la estructura cristalina de medio Heusler, "escribieron". El medio Heusler basado en TaFeSb de tipo p, uno de los compuestos descubiertos en este trabajo, demostró un rendimiento termoeléctrico muy prometedor ".

Además de Ren y los miembros de su laboratorio, el trabajo involucró a investigadores adicionales en la UH; la Universidad de Missouri; el Instituto de Tecnología de Massachusetts; El Laboratorio Nacional de Beijing para la Física de la Materia Condensada de la Academia de Ciencias de China; Universidad Southwest en Chongqing, Porcelana; el Instituto de Materiales Metálicos de Dresde, Alemania; la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China; y la Universidad de Shanghai.

Confiar en cálculos teóricos para predecir los compuestos que se espera tengan un alto rendimiento termoeléctrico permitió a los investigadores concentrarse en los compuestos más prometedores. Pero en realidad, al crear materiales compuestos de tantalio, hierro y antimonio, un esfuerzo dirigido por investigadores postdoctorales de la UH y los primeros autores Hangtian Zhu y Jun Mao, resultó complejo, en parte porque los componentes tienen propiedades físicas tan dispares.

Tantalio por ejemplo, tiene un punto de fusión superior a 3, 000 grados centígrados, mientras que el punto de fusión del antimonio es de 630 grados centígrados. El tantalio es duro mientras que el antimonio es relativamente blando, haciendo que la fusión por arco, un método común de combinar materiales, sea más difícil. Pudieron hacer el compuesto usando una combinación de molienda de bolas y prensado en caliente.

Una vez que se formó el compuesto, los investigadores dijeron que ofrecía tanto las propiedades físicas necesarias como las propiedades mecánicas que garantizarían la integridad estructural. Ren dijo que los elementos utilizados están relativamente disponibles y son económicos, haciendo que el compuesto sea rentable.

Además de las propiedades del propio compuesto, los investigadores dijeron que sus resultados ofrecen un fuerte apoyo para una mayor dependencia de los métodos computacionales para dirigir los esfuerzos experimentales.

"Cabe señalar que la síntesis y evaluación experimentales cuidadosas de un compuesto son costosas, mientras que la mayoría de los cálculos teóricos, especialmente cuando se aplica en modos de alto rendimiento, son relativamente económicos, "escribieron". Como tal, podría ser beneficioso utilizar estudios teóricos más sofisticados para predecir compuestos antes de dedicar los esfuerzos a un estudio experimental cuidadoso ".