Los científicos han descubierto que una clase de materiales conocidos por convertir el calor en electricidad y viceversa se comporta de manera bastante inesperada a nanoescala en respuesta a los cambios de temperatura. El descubrimiento, descrito en el 17 de diciembre, 2010, cuestión de Ciencias - es una nueva transición de fase en "dirección opuesta" que ayuda a explicar la fuerte respuesta termoeléctrica de estos materiales. También puede ayudar a los científicos a identificar otros termoeléctricos útiles, y podría promover su aplicación en la captura de energía perdida como calor, por ejemplo, en escape automotriz y de fábrica.

Los científicos, del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., Universidad de Colombia, Laboratorio Nacional Argonne, Laboratorio Nacional de Los Alamos, Northwestern University, y el Instituto Federal Suizo de Tecnología - estaban estudiando los calcogenuros de plomo (plomo emparejado con telurio, selenio, o azufre) utilizando técnicas experimentales y enfoques teóricos recientemente disponibles que les permiten "ver" y modelar el comportamiento de átomos individuales a nanoescala, o del orden de mil millonésimas de metro. Con esas herramientas pudieron observar cambios sutiles en los arreglos atómicos invisibles para las sondas de estructura convencionales.

Para comprender la transición de fase que observaron los científicos, piense en la respuesta diaria de un gas como el enfriamiento del vapor para formar agua líquida, y luego congelarse para formar hielo sólido. En cada caso, los átomos experimentan alguna forma de reordenamiento estructural, explica Simon Billinge, físico en Brookhaven Lab y en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia y autor principal de la Ciencias papel.

"Algunas veces, un mayor enfriamiento conducirá a más transiciones estructurales:los átomos en el cristal se reorganizan o se desplazan para reducir la simetría general, "Dice Billinge. El desarrollo de tales distorsiones atómicas localizadas al enfriarse es normal, él dice. "Lo que descubrimos en los calcogenuros de plomo es el comportamiento opuesto:a la temperatura más baja, no hubo desplazamientos atómicos, nada - pero al calentar, ¡Aparecen desplazamientos! "

Las técnicas que los científicos utilizaron para observar esta acción atómica a nanoescala fueron versiones de alta tecnología de la visión de rayos X, ayudado por análisis matemático e informático de los resultados. Primero, los materiales de plomo se fabricaron en forma de polvo purificado en la Universidad Northwestern. Luego, los científicos bombardearon las muestras con dos tipos de rayos:rayos X en la Fuente de Fotones Avanzados en Argonne y neutrones en el Centro de Dispersión de Neutrones de Lujan en Los Alamos. Los detectores recopilan información sobre cómo estos haces se dispersan en la muestra para producir patrones de difracción que indican las posiciones y disposiciones de los átomos. El análisis matemático y computacional adicional de los datos utilizando programas de computadora desarrollados en Brookhaven y Columbia permitió a los científicos modelar e interpretar lo que estaba sucediendo a nivel atómico en un rango de temperaturas.

El físico de Brookhaven, Emil Bozin, primer autor del artículo, fue el primero en notar el comportamiento extraño en los datos, y trabajó tenazmente para demostrar que era algo nuevo y no un artefacto de datos. "Si hubiéramos analizado la estructura promedio, nunca hubiéramos observado este efecto. Nuestro análisis de las funciones de distribución de pares atómicos nos da una visión mucho más local, la distancia de un átomo en particular a sus vecinos más cercanos, en lugar de solo el promedio, ", Dice Bozin. El análisis detallado reveló que, a medida que el material se calentaba, estas distancias cambiaban en una escala diminuta, alrededor de 0,025 nanómetros, lo que indica que los átomos individuales se estaban desplazando.

Los científicos han realizado una animación para ilustrar la aparición de estos desplazamientos tras el calentamiento. En eso, los desplazamientos están representados por flechas para indicar las orientaciones cambiantes de los átomos a medida que se mueven hacia adelante y hacia atrás, o fluctuar, como pequeños dipolos.

Según los científicos, Este comportamiento de volteo aleatorio es clave para la capacidad de los materiales de convertir el calor en electricidad.

"Los dipolos que se mueven al azar impiden el movimiento del calor a través del material de la misma manera que es más difícil moverse a través de un bosque desordenado que un huerto de manzanas ordenado donde los árboles están alineados en hileras, "Dice Billinge." Esta baja conductividad térmica permite mantener un gran gradiente de temperatura a través de la muestra, que es crucial para las propiedades termoeléctricas ".

Cuando un lado del material entra en contacto con el calor, digamos, en el sistema de escape de un automóvil:el gradiente causará portadores de carga en el material termoeléctrico (por ejemplo, electrones) para difundir desde el lado caliente al lado frío. La captura de esta corriente eléctrica inducida térmicamente podría aprovechar el calor "residual".

Esta investigación puede ayudar a los científicos a buscar otros materiales termoeléctricos con propiedades excepcionales, ya que vincula la buena respuesta termoeléctrica a la existencia de dipolos fluctuantes.

"Nuestro próximo paso será buscar nuevos materiales que muestren esta novedosa transición de fase, y encontrar otras firmas estructurales para este comportamiento, "Dijo Billinge." Las nuevas herramientas que nos permiten sondear estructuras a nanoescala son esenciales para esta investigación.

"Estos estudios de materiales complejos a nanoescala son la clave de muchos de los avances tecnológicos transformadores que buscamos para resolver problemas en energía, salud, y el medio ambiente ".