Los físicos han descubierto un nuevo efecto, lo que permite crear excelentes aislantes térmicos conductores de electricidad. Estos materiales se pueden utilizar para convertir el calor residual en energía eléctrica.

Todos los días perdemos energía valiosa en forma de calor residual, en dispositivos técnicos en el hogar, pero también en grandes sistemas energéticos. Parte de ella podría recuperarse con la ayuda del "efecto termoeléctrico". El flujo de calor de un dispositivo caliente al ambiente frío se puede convertir directamente en energía eléctrica. Para lograr eso, sin embargo, Se requieren materiales con propiedades muy especiales. Tienen que ser buenos conductores eléctricos, pero malos conductores térmicos, dos requisitos que son difíciles de conciliar.

Investigadores de todo el mundo buscan este tipo de materiales. Ciertos materiales con una estructura similar a una jaula han demostrado ser particularmente prometedores, por ejemplo clatratos, que se estudian en TU Wien. Ahora, después de elaboradas investigaciones, se ha demostrado un efecto notable, lo que puede explicar la conductividad térmica particularmente baja de estos materiales.

Celdas de prisión para átomos

"Los clatratos son cristales con una estructura muy especial, ", explica la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Tecnológica de Viena." Su red cristalina contiene pequeñas jaulas en las que se encierran átomos individuales. Estos átomos pueden oscilar hacia adelante y hacia atrás en su única celda, sin ver mucho del resto del cristal ".

El calor en un sólido está presente en forma de vibraciones de sus átomos. Cuando se calienta un cristal, las vibraciones se hacen más fuertes hasta que, en algún momento, los enlaces entre los átomos se rompen y el cristal se derrite. "Hay dos tipos de vibraciones, ", dice Silke Bühler-Paschen." Si los átomos vecinos están fuertemente unidos entre sí, entonces la vibración de un átomo puede transferirse directamente a sus vecinos y una ola de calor se propaga a través del material. Cuanto más fuerte sea el acoplamiento entre los átomos, cuanto más rápida sea la propagación de la onda y mayor sea la conducción de calor. Sin embargo, si un átomo está unido muy débilmente a sus vecinos, al igual que el átomo sentado en la jaula de clatrato, entonces es en gran parte independiente de los demás y la ola de calor es extremadamente lenta ".

Nuevo efecto:la dispersión de fonones similar a Kondo

Como parte de su disertación con Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda descubrió que debido a una cierta interacción entre estos dos tipos de olas de calor, los clatratos son tan buenos aislantes térmicos. Matthias Ikeda realizó mediciones precisas y extensas. Serie de cristales, cada uno con propiedades ligeramente diferentes, se produjeron en TU Wien y se midieron cuidadosamente. "En el final, pudimos demostrar lo que nadie quería creernos al principio:hay un efecto físico hasta ahora desconocido que suprime la conductividad térmica; lo llamamos dispersión de fonones tipo Kondo, "dice Matthias Ikeda.

Debido a la estructura cristalina, un átomo en la jaula de clatrato vibra preferentemente en dos direcciones específicas. "Cuando llega una ola de calor, puede, por un corto tiempo, entrar en una especie de estado ligado con tal vibración. La ola de calor cambia la dirección de oscilación del átomo en la jaula de clatrato, ", dice Silke Bühler-Paschen." Este proceso ralentiza la ola de calor, y así se reduce la conductividad térmica. Aunque los clatratos conducen la electricidad, son buenos aislantes térmicos ".

Mejor material para termoeléctricos

Esta es exactamente la combinación de propiedades del material que se requiere para utilizar el efecto termoeléctrico a escala industrial. Algo caliente se conecta a algo frío usando el material adecuado, y el flujo de energía intermedio se puede convertir directamente en electricidad. Por un lado, el material debe conducir corriente eléctrica, pero por un lado, no debe equilibrar las temperaturas conduciendo el calor demasiado rápido, de lo contrario, el efecto ya no se podrá utilizar.

"El proyecto requirió mucho tiempo, además de numerosos experimentos, Se tuvieron que desarrollar extensas simulaciones por computadora para comprender los procesos físicos cuánticos detrás de este efecto, ", dice Silke Bühler-Paschen." Pero valió la pena:con nuestro concepto de dispersión de fonones similar a Kondo, ahora es mucho más fácil comprender el comportamiento de los clatratos y, por lo tanto, podemos trabajar con más determinación para encontrar los materiales más eficientes para aplicaciones termoeléctricas ".