Se pierde mucho calor durante la conversión de energía. Las estimaciones incluso lo sitúan en más del 70%. Sin embargo, en materiales termoeléctricos, como los que se estudian en el Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien, el calor se puede convertir directamente en energía eléctrica. Este efecto (el efecto Seebeck) se puede utilizar en numerosas aplicaciones en la industria pero también en la vida cotidiana.

Recientemente, el equipo de investigación de Ernst Bauer realizó un emocionante descubrimiento en un material termoeléctrico compuesto de hierro, vanadio y aluminio (Fe₂ VAL). Los investigadores publicaron recientemente sus resultados en Nature Communications .

La termoeléctrica ideal

Para lograr el mayor efecto de conversión de energía posible, los investigadores buscan materiales que cumplan una serie de características:Deben tener un gran efecto Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Sin embargo, esto es extremadamente difícil porque estas propiedades están interrelacionadas y son interdependientes. Por lo tanto, los investigadores se preguntaron cómo tendría que ser físicamente un material para cumplir todas estas condiciones de la mejor manera posible.

Por lo tanto, los físicos de TU Wien han logrado encontrar un nuevo concepto para resolver esta contradicción y optimizar todas las propiedades termoeléctricas en un material al mismo tiempo. "En la llamada transición de Anderson, una transición de fase cuántica de estados de electrones localizados a móviles, se cumplen las condiciones para el termoeléctrico ideal. Esto significa que todos los electrones de conducción tienen aproximadamente la misma energía", informa Fabian Garmroudi, primer autor del estudio. estudiar.

La transición de Anderson ocurre en los semiconductores cuando se agregan átomos de impurezas, que unen fuertemente sus electrones. "Al igual que los témpanos de hielo en el mar, inicialmente están aislados entre sí y no se pueden pisar. Sin embargo, si la cantidad de témpanos de hielo es lo suficientemente grande, tienes una conexión continua a través de la cual puedes cruzar el mar", Fabian Garmroudi hace una comparación. Esto sucede de manera similar en los sólidos:si el número de átomos de impurezas excede un valor crítico, los electrones pueden moverse repentinamente libremente de un átomo a otro y la electricidad puede fluir.

Los átomos cambian de lugar cuando hace calor

La transición de Anderson se demostró en estrecha colaboración con investigadores de Suecia y Japón, así como de la Universidad de Viena, y se relacionó por primera vez con un cambio significativo en las propiedades termoeléctricas. El equipo hizo el emocionante descubrimiento cuando calentó el material a temperaturas muy altas, cerca del punto de fusión.

"A altas temperaturas, los átomos vibran con tanta fuerza que ocasionalmente intercambian sus posiciones reticulares. Por ejemplo, los átomos de hierro se ubican donde antes estaban los átomos de vanadio. Logramos congelar esta 'confusión atómica', que ocurre a altas temperaturas, por tanto -llamado 'enfriamiento', es decir, enfriamiento rápido en un baño de agua", informa Ernst Bauer. Estos defectos irregulares cumplen exactamente el mismo propósito que los átomos de impureza mencionados anteriormente, sin necesidad de cambiar la composición química del material.

Conversión de energía gracias al desorden

En muchas áreas de investigación de la física del estado sólido, uno está interesado en materiales que sean lo más puros posible y que tengan una estructura cristalina ideal. La razón:la regularidad de los átomos simplifica una descripción teórica de las propiedades físicas. En el caso de Fe₂ VAl, sin embargo, son precisamente las imperfecciones las que explican la mayor parte del rendimiento termoeléctrico. También ya se ha demostrado en disciplinas vecinas que las irregularidades pueden ser ventajosas:“La investigación básica sobre materiales cuánticos es un buen ejemplo de esto. Allí, la ciencia ya ha podido demostrar que el desorden es a menudo el condimento necesario en la ‘sopa cuántica’. ”, dice Andrej Pustogow, uno de los coautores. "Ahora este concepto también ha llegado a la investigación aplicada en estado sólido". + Explora más

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