La energía eléctrica se puede generar a partir de una diferencia de temperatura en un circuito con materiales adecuados. En simulaciones, Los científicos de ETH Zurich muestran qué materiales tienen más probabilidades de tener éxito en un proceso termoeléctrico.

Los nanocables parecen papas fritas largas:cuboides rectangulares alargados de más de 300 celdas unitarias de silicio de largo y con una sección transversal de 9 celdas unitarias de ancho y 9 de alto. Los cables son diminutos sólo 160 nanómetros de largo y unos cinco nanómetros de diámetro equivalente:10, 000 veces más delgado que un cabello. Los nanocables están recubiertos con una capa atómicamente delgada de germanio, el espesor de la capa es sólo de una a dos celdas unitarias del material semiconductor.

Un nanoalambre de silicio-germanio con esta construcción es, o más bien sería, un candidato digno para su uso en termoelectricidad. El único problema es que hasta ahora, el diminuto cable semiconductor en esta forma existe solo en la computadora de Ming Hu, un científico postdoctoral en el grupo de Dimos Poulikakos, Catedrático de Termodinámica en el Instituto de Tecnología Energética. Profesor K. Giapis del Instituto de Tecnología de California, ESTADOS UNIDOS, quien pasó su licencia sabática con el grupo Poulikakos en ETH Zurich también colaboró ​​en la realización de la investigación que condujo al desarrollo de este cable.

Nanocables más eficaces

La termoelectricidad aprovecha el hecho de que la temperatura y la electricidad pueden ser interconvertibles en determinadas condiciones. Debido al llamado efecto Seebeck, se produce una pequeña tensión eléctrica en un circuito cuando hay una diferencia de temperatura entre los puntos de contacto de dos tipos diferentes de conductores eléctricos en el circuito. Sin embargo, no todos los materiales conductores o semiconductores son adecuados para la generación termoeléctrica. Para exhibir altos coeficientes de conversión que hagan que un material sea viable para aplicaciones realistas, la conductividad térmica del material debe ser lo más pequeña posible. mientras que su conductividad eléctrica debe ser grande. Dimos Poulikakos dice:"Estos materiales son prácticamente inexistentes en la naturaleza".

Por lo tanto, el objetivo del proyecto de investigación era diseñar un material adecuado que tuviera estas propiedades. El silicio se abandona en la naturaleza y podría ser especialmente adecuado a este respecto. Aunque la conductividad térmica del silicio a granel es alta, esta conductividad térmica se deteriora tan pronto como el semiconductor se convierte en una nanoestructura similar a un cable. El profesor de ETH Zurich advierte sin embargo, que "incluso los nanocables de silicio puro no son lo suficientemente buenos para una conversión de energía eficiente".

La capa de germanio reduce aún más la conductividad térmica

A través de simulaciones por computadora, Hu Ming ahora ha descubierto cómo podría resolverse el problema. Demostró que los nanocables de silicio conducen el calor aún peor si están recubiertos con una capa atómicamente delgada de germanio. otro semiconductor. La conductividad térmica disminuye en un 75 por ciento en comparación con los nanohilos de silicio puro, y lo hace a temperatura ambiente. Por otra parte, cuando Hu agregó más capas de germanio en su modelo, la conductividad térmica volvió a aumentar.

Los investigadores demostraron que la razón de la reducción drástica de la conductividad térmica de los nanocables de silicio recubiertos de germanio radica en los modos de vibración alterados de los fonones que transportan el calor a través de la red cristalina. Las longitudes de onda de las partículas se acortaron y comprimieron en la capa interfacial entre el silicio y el germanio, que bloqueó el transporte de calor en un grado muy grande.

Por lo tanto, Los investigadores concluyen que los nanocables de silicio delgados deben recubrirse con una o dos capas de germanio para permitir un paso significativo hacia el logro de procesos termoeléctricos viables.

De la computadora al laboratorio

Los nanocables Si / Ge todavía existen solo en la computadora de Ming Hu. Sin embargo, el plan es fabricarlos pronto en el laboratorio de Poulikakos para experimentos reales. Los métodos termoeléctricos podrían hacer una contribución importante a la producción de energía alternativa en el futuro. Por ejemplo, el profesor de ETH Zurich puede prever que, con la ayuda de instalaciones adecuadas, podrían utilizarse para aprovechar el calor residual de máquinas o edificios para generar electricidad, que se puede almacenar o alimentar a la red. Basado en el estado actual de los conocimientos, uno podría imaginar dispositivos que suministran electricidad a casas individuales o equipos portátiles. Módulos termoeléctricos, p.ej. tan grande como una mesa de cocina, También podría actuar como paneles solares para generar energía eléctrica a partir de energía solar. Sin embargo, estos son experimentos mentales iniciales en este momento. Poulikakos advierte que, "Estas aplicaciones prácticas están todavía muy lejos en el futuro"