Los científicos de materiales de la Universidad de Duke han descubierto un mecanismo atómico que hace que ciertos materiales termoeléctricos sean increíblemente eficientes cerca de las transiciones de fase de alta temperatura. La información ayudará a llenar los vacíos de conocimiento críticos en el modelado computacional de dichos materiales, potencialmente permitiendo a los investigadores descubrir nuevas y mejores opciones para tecnologías que se basan en la transformación del calor en electricidad.

Los resultados aparecen en línea el 4 de septiembre en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

Los materiales termoeléctricos convierten el calor en electricidad cuando los electrones migran del lado caliente del material al lado frío. Debido a que se requiere proporcionar una diferencia de temperatura entre sus dos lados, Los investigadores están interesados ​​en intentar utilizar estos materiales para generar electricidad a partir del calor del tubo de escape de un automóvil o recuperar la energía perdida en forma de calor en las centrales eléctricas.

Durante los últimos dos años, Se establecieron nuevos récords de eficiencia termoeléctrica con un material emergente llamado seleniuro de estaño y su compuesto hermano, sulfuro de estaño. La versión de sulfuro aún no es tan buena termoeléctrica, pero se está optimizando aún más porque es más barato de producir y más respetuoso con el medio ambiente.

Si bien los científicos saben que ambos compuestos son excelentes materiales termoeléctricos, no saben exactamente por qué. En el nuevo estudio, Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke, y dos de sus estudiantes de posgrado, Tyson Lanigan-Atkins y Shan Yang, traté de llenar un poco ese vacío de conocimiento.

"Queríamos intentar comprender por qué estos materiales tienen una conductividad térmica tan baja, lo que ayuda a habilitar las fuertes propiedades termoeléctricas por las que son conocidos, "dijo Delaire." Usando una poderosa combinación de mediciones de dispersión de neutrones y simulaciones por computadora, descubrimos que está relacionado con las vibraciones atómicas del material a alta temperatura, que nadie había visto antes ".

La baja conductividad térmica es un ingrediente necesario de cualquier buen material termoeléctrico. Debido a que la generación de electricidad requiere un diferencial de calor entre sus dos lados, tiene sentido que los materiales que impiden que el calor se propague a través de ellos funcionen bien.

Para ver las vibraciones atómicas del sulfuro de estaño en acción, Delaire y Lanigan-Atkins llevaron muestras al reactor de isótopos de alto flujo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Al rebotar neutrones de los átomos del sulfuro de estaño y detectar dónde terminan después, los investigadores pudieron determinar dónde estaban los átomos y cómo vibraban colectivamente en la red del cristal.

Las instalaciones de ORNL estaban particularmente bien adaptadas para la tarea. Debido a que las vibraciones atómicas del sulfuro de estaño son relativamente lentas, los investigadores necesitan neutrones "fríos" de baja energía que sean lo suficientemente delicados para verlos. Y ORNL tiene algunos de los mejores instrumentos de neutrones fríos del mundo.

"Descubrimos que el sulfuro de estaño efectivamente tiene ciertos modos de vibración que son muy 'flojos, '", dijo Delaire." Y que sus propiedades están conectadas con la inestabilidad inherente en su red cristalina ".

A temperaturas más bajas, El sulfuro de estaño es un material en capas con rejillas distorsionadas de estaño y sulfuro encima de otras, corrugado como un acordeón. Pero a temperaturas cercanas a su punto de transición de fase de 980 grados Fahrenheit, que es donde a menudo operan los generadores termoeléctricos, ese ambiente distorsionado comienza a descomponerse. Las dos capas como por arte de magia, volverse sin distorsiones y más simétricas, que es donde entra en juego la "flojera".

Debido a que el material se derrama entre los dos arreglos estructurales a alta temperatura, sus átomos ya no vibran juntos como una cuerda de guitarra bien afinada y en su lugar se amortiguan anarmónicamente. Para entender esto mejor Piense en un automóvil con golpes terribles que tiene una vibración armónica:seguirá rebotando mucho después de pasar por el más mínimo golpe. Pero los golpes adecuados amortiguarán esa vibración, haciéndolo anarmónico y evitando que oscile durante mucho tiempo.

"Las ondas de calor viajan a través de vibraciones atómicas en un material, "dijo Delaire." Así que cuando las vibraciones atómicas en el sulfuro de estaño se vuelven flojas, no transmiten vibraciones muy rápidamente y tampoco vibran por mucho tiempo. Esa es la causa fundamental de su capacidad para evitar que el calor viaje dentro de él ".

Con estos resultados en la mano, Delaire y Yang luego buscaron confirmarlos y comprenderlos computacionalmente. Usando supercomputadoras en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Yang pudo reproducir los mismos efectos anarmónicos a altas temperaturas. Además de confirmar lo que vieron en los experimentos, Delaire dice que estos modelos actualizados permitirán a los investigadores buscar mejor nuevos materiales termoeléctricos para usar en las tecnologías del mañana.

"Los investigadores en el campo no han tenido en cuenta las fuertes dependencias de la temperatura en las velocidades de propagación del calor, y este modelo muestra cuán importante puede ser esa variable, ", dijo Delaire. La adopción de estos resultados y otros avances teóricos facilitará que los científicos de materiales puedan predecir otros buenos materiales termoeléctricos".