Los dispositivos termoeléctricos, que pueden generar una corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura o utilizar electricidad para producir calefacción o refrigeración sin partes móviles, se han explorado en el laboratorio desde el siglo XIX. En años recientes, su eficiencia ha mejorado lo suficiente como para permitir un uso comercial limitado, como en los sistemas de refrigeración integrados en los asientos de los automóviles. Pero un uso más extendido, como aprovechar el calor residual de las centrales eléctricas y los motores, pide mejores materiales.

Ahora, una nueva forma de mejorar la eficiencia de dichos dispositivos, desarrollado por investigadores del MIT y la Universidad de Rutgers, podría dar lugar a aplicaciones más amplias. El nuevo trabajo por el profesor de ingeniería mecánica Gang Chen, Profesora del Instituto Mildred Dresselhaus, estudiante de posgrado Bolin Liao, y la reciente posdoctorado Mona Zebarjadi y el científico investigador Keivan Esfarjani (ambos ahora forman parte de la facultad de Rutgers), ha sido publicado en la revista Materiales avanzados .

Aunque los dispositivos termoeléctricos han estado disponibles comercialmente desde la década de 1950, su eficiencia ha sido baja debido a las limitaciones de los materiales. Un nuevo impulso para los sistemas termoeléctricos se remonta a principios de la década de 1990, cuando Dresselhaus trabajó en un proyecto, financiado por la Marina de los EE. UU., para mejorar materiales termoeléctricos para sistemas de enfriamiento silencioso para submarinos. Chen, que entonces estaba trabajando en las propiedades de aislamiento térmico de nanoestructuras, se asoció con ella para hacer avanzar los materiales termoeléctricos.

El hallazgo del grupo de que los materiales a nanoescala podrían tener propiedades significativamente diferentes de las de los trozos más grandes del mismo material, un trabajo que involucró pequeñas partículas de un material incrustadas en otro, la formación de nanocompuestos, en última instancia, ayudó a mejorar la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos. El último trabajo continúa esa investigación, afinando la composición, dimensiones y densidad de las nanopartículas incrustadas para maximizar las propiedades termoeléctricas del material.

El modelado detallado por computadora del nuevo material muestra que podría mejorar los parámetros que son clave para un sistema termoeléctrico efectivo:alta conductividad eléctrica (para que la electricidad fluya fácilmente), baja conductividad térmica (para mantener un gradiente de temperatura), y optimización de una propiedad conocida como coeficiente de Seebeck, que expresa cuánto calor lleva un electrón, de media.

El nuevo trabajo también se basa en métodos desarrollados por investigadores en óptica que han estado intentando crear capas de invisibilidad, formas de hacer que los objetos sean invisibles a ciertas ondas de radio u ondas de luz utilizando materiales nanoestructurados que desvían la luz. El equipo del MIT aplicó métodos similares para incrustar partículas que podrían reducir la conductividad térmica del material manteniendo alta su conductividad eléctrica.

"Es como una capa para los electrones, "Dice Dresselhaus." Nos inspiramos en la gente de óptica ".

El concepto que hizo factibles las mejoras, los investigadores explican, es algo llamado antirresonancia, que hace que los electrones de la mayoría de los niveles de energía sean bloqueados por las partículas incrustadas, mientras que aquellos en un rango estrecho de energías pasan con poca resistencia.

Liao y Zebarjadi, que realizó este trabajo como postdoctorado en el MIT, concebido para hacer invisibles las nanopartículas al flujo de electrones utilizando este principio anti-resonancia. Al ajustar el tamaño de las nanopartículas, los investigadores los hicieron invisibles a los electrones, pero no los fonones, las partículas virtuales que transportan calor.

Además, encontraron que las nanopartículas incrustadas en realidad mejoraban el flujo de electrones. "Podemos aumentar la conductividad eléctrica de manera significativa, ", Dice Zebarjadi.

Ese efecto básico se había observado antes, ella dice, pero solo en gases, no sólidos. "Cuando vimos eso, dijimos, sería bueno si pudiéramos tener tal dispersión [de electrones] en sólidos, ", Dice Zebarjadi, un resultado que ella y sus colegas finalmente pudieron lograr.

La técnica está inspirada en un concepto llamado dopaje por modulación, que se utiliza en la fabricación de dispositivos semiconductores. Hasta aquí, el trabajo ha sido teórico. El siguiente paso será construir dispositivos de prueba reales, dicen los miembros del equipo. "Hay muchos desafíos en el lado experimental, "Dice Chen.

Joseph Heremans, profesor de física en la Universidad Estatal de Ohio, llama a la obra "cosas fabulosas de Harry Potter, pero creíble ... realmente nuevo, y totalmente sorprendente ". Sin embargo, señala que el efecto se limita a un rango estrecho de energía electrónica, y requerirá un ajuste fino para obtener el nivel de energía adecuado. "Esto puede resultar imposible de lograr en el laboratorio, simplemente no lo sabremos hasta que alguien lo intente, " él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.