(PhysOrg.com) - Computadoras, bombillas, e incluso la gente genera calor, energía que acaba por desperdiciarse. Con un dispositivo termoeléctrico, que convierte el calor en electricidad y viceversa, puede aprovechar esa energía que de otro modo se desperdiciaría. Los dispositivos termoeléctricos se promocionan para su uso en refrigeradores nuevos y eficientes, y otras máquinas de enfriamiento o calentamiento. Pero los diseños actuales no son lo suficientemente eficientes para un uso comercial generalizado o están hechos de materiales raros que son costosos y dañinos para el medio ambiente.

Investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han desarrollado un nuevo tipo de material:hecho de silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, que podría conducir a dispositivos termoeléctricos más eficientes. El material, un tipo de nanomaterial, está compuesto por una película delgada con una disposición en forma de cuadrícula de pequeños orificios. Este diseño único hace que sea difícil que el calor viaje a través del material, reduciendo su conductividad térmica a cerca del límite teórico del silicio. Al mismo tiempo, el diseño permite que la electricidad fluya tan bien como lo hace en el silicio sin modificar.

"En términos de control de la conductividad térmica, estos son dispositivos bastante sofisticados, "dice James Heath, la profesora Elizabeth W. Gilloon y profesora de química en Caltech, quien dirigió el trabajo. Se publicará un artículo sobre la investigación en la edición de octubre de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

Una estrategia importante para hacer que los materiales termoeléctricos sean energéticamente eficientes es reducir la conductividad térmica sin afectar la conductividad eléctrica. que es lo bien que la electricidad puede viajar a través de la sustancia. Heath y sus colegas habían logrado esto anteriormente utilizando nanocables de silicio, cables de silicio que son de 10 a 100 veces más estrechos que los que se utilizan actualmente en microchips de computadora. Los nanocables funcionan impidiendo el calor mientras permiten que los electrones fluyan libremente.

En cualquier material, el calor viaja a través de fonones:paquetes cuantificados de vibración que son similares a los fotones, que son en sí mismos paquetes cuantificados de ondas de luz. Mientras los fonones recorren el material, entregan calor de un punto a otro. Nanocables, por sus diminutos tamaños, tienen mucha superficie relativa a su volumen. Y dado que los fonones se dispersan en superficies e interfaces, es más difícil para ellos atravesar un nanoalambre sin rebotar por el mal camino. Como resultado, un nanoalambre resiste el flujo de calor pero sigue siendo conductor de electricidad.

Pero crear nanocables cada vez más estrechos es efectivo solo hasta cierto punto. Si el nanoalambre es demasiado pequeño, Tendrá tanta área de superficie relativa que incluso los electrones se dispersarán, provocando que la conductividad eléctrica caiga en picado y anulando los beneficios termoeléctricos de la dispersión de fonones.

Para solucionar este problema, El equipo de Caltech construyó un material de nanomaterial a partir de una hoja de silicio de 22 nanómetros de espesor. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). La lámina de silicio se convierte en una malla, similar a una pequeña pantalla de ventana, con una matriz muy regular de orificios de 11 o 16 nanómetros de ancho que están separados por solo 34 nanómetros.

En lugar de esparcir los fonones que lo atraviesan, la nanomarca cambia la forma en que se comportan esos fonones, esencialmente ralentizándolos. Las propiedades de un material en particular determinan qué tan rápido pueden ir los fonones, y resulta que, al menos en silicio, la estructura de malla reduce este límite de velocidad. En cuanto a los fonones, la nanomastilla ya no es silicio en absoluto. "La nanomastilla ya no se comporta de la forma típica del silicio, "dice Slobodan Mitrovic, becario postdoctoral en química en Caltech. Mitrovic y el estudiante graduado de Caltech Jen-Kan Yu son los primeros autores en el Nanotecnología de la naturaleza papel.

Cuando los investigadores compararon la nanomatriz con los nanocables, descubrieron que, a pesar de tener una relación de área de superficie a volumen mucho más alta, los nanocables seguían siendo dos veces más conductores térmicamente que la malla. Los investigadores sugieren que la disminución de la conductividad térmica que se observa en la nanomatilla es causada por la desaceleración de los fonones. y no por fonones que se esparcen por la superficie de la malla. El equipo también comparó la nanomastilla con una película delgada y con una hoja de silicio en forma de rejilla con características aproximadamente 100 veces más grandes que la nanomatriz; tanto la película como la rejilla tenían conductividades térmicas aproximadamente 10 veces más altas que las de la nanomatilla.

Aunque la conductividad eléctrica de la nanomedicina se mantuvo comparable a la regular, silicio a granel, su conductividad térmica se redujo hasta cerca del límite inferior teórico para el silicio. Y los investigadores dicen que pueden reducirlo aún más. "Ahora que hemos demostrado que podemos reducir la velocidad de los teléfonos, "Heath dice, "¿Quién puede decir que no podemos frenarlos mucho más?"

Los investigadores ahora están experimentando con diferentes materiales y disposiciones de orificios para optimizar su diseño. "Un día, es posible que podamos diseñar un material en el que no solo pueda ralentizar los fonones, pero puedes excluir los fonones que transportan calor por completo, Mitrovic dice. "Ese sería el objetivo final".