Los investigadores de ingeniería del Instituto Politécnico de Rensselaer han desarrollado un nuevo método para crear nanomateriales avanzados que podrían conducir a refrigeradores y sistemas de enfriamiento altamente eficientes que no requieren refrigerantes ni partes móviles. Los ingredientes clave de esta innovación son una pizca de azufre a nanoescala y un horno de microondas todos los días.

En el corazón de estos sistemas de enfriamiento de estado sólido se encuentran los materiales termoeléctricos, que puede convertir la electricidad en un rango de temperaturas diferentes, de caliente a frío. Los refrigeradores termoeléctricos que emplean estos principios han estado disponibles durante más de 20 años, pero siguen siendo pequeños y muy ineficaces. Esto se debe en gran parte a que los materiales utilizados en los dispositivos de refrigeración termoeléctricos actuales son caros y difíciles de fabricar en grandes cantidades. y no tienen la combinación necesaria de propiedades térmicas y eléctricas. Un nuevo estudio publicado hoy en la revista Materiales de la naturaleza , supera estos desafíos y abre la puerta a una nueva generación de productos de alto rendimiento, refrigeración y aire acondicionado de estado sólido rentables.

El profesor Ganpati Ramanath de Rensselaer dirigió el estudio, en colaboración con los colegas Theodorian Borca-Tasciuc y Richard W. Siegel.

Lo que impulsa este avance en la investigación es la idea de contaminar intencionalmente, o dopaje, Materiales termoeléctricos nanoestructurados con apenas cantidades de azufre. Los materiales dopados se obtienen cocinando el material y el dopante juntos durante unos minutos en un horno de microondas de $ 40 comprado en la tienda. El polvo resultante se transforma en gránulos del tamaño de un guisante aplicando calor y presión de manera que se conserven las propiedades que le confieren la nanoestructuración y el dopaje. Estos gránulos exhiben propiedades mejores que los materiales termoeléctricos difíciles de fabricar actualmente disponibles en el mercado. Adicionalmente, este nuevo método para crear los gránulos dopados es mucho más rápido, más fácil, y más barato que los métodos convencionales de fabricación de materiales termoeléctricos.

"Este no es un descubrimiento único. Más bien, Hemos desarrollado y demostrado una nueva forma de crear una clase completamente nueva de materiales termoeléctricos dopados con propiedades superiores, "dijo Ramanath, miembro de la facultad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Rensselaer. "Nuestros hallazgos realmente tienen el potencial de transformar el panorama tecnológico de la refrigeración y tener un impacto real en nuestras vidas".

Tratar de diseñar materiales termoeléctricos es algo así como jugar un juego de "tira y afloja, ", Dijo Ramanath. Los investigadores se esfuerzan por controlar tres propiedades separadas del material:conductividad eléctrica, conductividad térmica, y coeficiente de Seebeck. Manipulando una de estas propiedades, sin embargo, afecta necesariamente a los otros dos. Este nuevo estudio demuestra una nueva forma de minimizar la interdependencia de estas tres propiedades mediante la combinación de dopaje y nanoestructuración en materiales termoeléctricos conocidos como telururos y seleniuros a base de bismuto y antimonio.

El objetivo de modificar estas tres propiedades es crear un material termoeléctrico con una alta figura de mérito, o ZT, que es una medida de la eficiencia del material para convertir calor en electricidad. Los nuevos gránulos de nanomateriales del tamaño de un guisante desarrollados por el equipo de Rensselaer demostraron un ZT de 1 a 1,1 a temperatura ambiente. Dado que se obtienen valores tan altos incluso sin optimizar el proceso, los investigadores confían en que se puede obtener una mayor ZT con algo de ingeniería inteligente.

"Es realmente sorprendente cómo las nanoestructuras sazonadas con solo unos pocos átomos de azufre pueden conducir a propiedades termoeléctricas tan superiores del material a granel hecho a partir de las nanoestructuras, y nos permite aprovechar los beneficios de la nanoestructuración a macroescala, ", Dijo Ramanath.

Una faceta importante del descubrimiento es la capacidad de fabricar nanomateriales termoeléctricos de tipo p (carga positiva) y de tipo n (carga negativa) con un ZT alto. Hasta ahora, Los investigadores de todo el mundo solo han podido fabricar grandes cantidades de materiales de tipo p con alta ZT.

Adicionalmente, El nuevo estudio muestra que el equipo de investigación de Rensselaer puede hacer lotes de 10 a 15 gramos (suficientes para hacer varios gránulos del tamaño de un guisante) del nanomaterial dopado en dos o tres minutos con un horno de microondas. Se pueden producir cantidades mayores utilizando hornos microondas de tamaño industrial.

"Nuestra capacidad para producir de forma escalable y económica materiales de tipo p y n con un alto ZT allana el camino para la fabricación de dispositivos de enfriamiento de alta eficiencia, así como dispositivos termoeléctricos de estado sólido para recolectar el calor residual o el calor solar en electricidad, "dijo Borca-Tasciuc, profesor en el Departamento de Mecánica, Aeroespacial, e Ingeniería Nuclear en Rensselaer.

"Este es un descubrimiento muy emocionante porque combina la realización de propiedades termoeléctricas novedosas y útiles con una ruta de procesamiento demostrada hacia las aplicaciones industriales, "dijo Siegel, el profesor Robert W. Hunt de ciencia e ingeniería de materiales en Rensselaer.

El estudiante graduado de Rensselaer, Rutvik J. Mehta, realizó este trabajo para su tesis doctoral. Mehta, Ramanath, y Borca-Tasciuc han presentado una patente y han formado una nueva empresa, ThermoAura Inc., seguir desarrollando y comercializando la nueva tecnología de materiales termoeléctricos. Desde entonces, Mehta se graduó y ahora es asociado postdoctoral en Rensselaer. También se desempeña como presidente de ThermoAura.

Más allá de los refrigeradores y el aire acondicionado, los investigadores imaginan que esta tecnología podría usarse algún día para enfriar chips de computadora.

Junto con Ramanath, Borca-Tasciuc, Siegel, y Mehta, Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rensselaer Yanliang Zhang, Chinnathambi Karthik, y Binay Singh.