Los materiales termoeléctricos de alto rendimiento que convierten el calor residual en electricidad podrían algún día ser una fuente de energía más sostenible. Pero deben ser mucho más eficientes antes de que puedan ser efectivos a gran escala en lugares como centrales eléctricas o bases militares. dicen los investigadores.

Un investigador de la Universidad de Michigan ha dado un paso hacia ese objetivo. Al diseñar un material semiconductor al nivel de sus átomos individuales, Pierre Ferdinand P. Poudeu, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, ha aumentado su capacidad para convertir calor en energía en un 200 por ciento y su conductividad eléctrica en un 43 por ciento. Esa es una combinación importante. Mejorar ambas cifras al mismo tiempo es un gran desafío para los investigadores que trabajan en el campo.

El material utilizado por Poudeu es una aleación de titanio, circonio, níquel y estaño. Si bien no es un material termoeléctrico particularmente efectivo en este momento, Poudeu dice que fue un buen banco de pruebas.

"Este concepto es nuevo y emocionante, ", Dijo Poudeu." Creemos que también se puede adaptar a otros materiales y allanar el camino para materiales termoeléctricos mejorados destinados a aplicaciones de conversión de energía de alto rendimiento.

"Si queremos construir generadores que conviertan el calor residual en electricidad y que sean capaces de reemplazar la tecnología actual, Es necesario descubrir materiales termoeléctricos con una eficiencia mucho mayor. Tendremos que duplicar la eficiencia que se alcanza normalmente en la actualidad ".

Poudeu dice que su enfoque de nanoingeniería podría lograr esos beneficios si se puede usar en los actuales sistemas de materiales termoeléctricos candidatos líderes.

Su estrategia difiere de las técnicas químicas habituales, como el dopaje, en el que los investigadores agregan impurezas a un material huésped para alterar sus propiedades electrónicas y hacerlo más conductivo. En materiales termoeléctricos, el dopaje puede actuar en su contra, sin embargo, porque las impurezas pueden dificultar la conversión de calor a electricidad.

En lugar de agregar impurezas, que son típicamente elementos químicos extraños, Poudeu introdujo átomos individuales adicionales de níquel, uno de los elementos que ya se encuentran en el material. Los átomos de níquel encontraron su camino hacia la estructura cristalina del material huésped y llenaron una pequeña fracción de sus sitios atómicos vacíos. Formaron lo que Poudeu describe como puntos cuánticos:estructuras a nanoescala que siguen las leyes de la cuántica, en lugar de clásico, física.

Las estructuras son tan pequeñas, necesitaría alinear un millón solo para poder verlos sin un microscopio, Dice Poudeu.

Los puntos cuánticos actúan como trampas, bloquear los electrones de baja energía para que no reduzcan la eficiencia de conversión, mientras se crea una vía para que los electrones de mayor energía pasen como corriente eléctrica. La adición de los puntos cuánticos en un semiconductor a granel da como resultado un nuevo material con una estructura electrónica distinta, Dice Poudeu.

El artículo se titula "Grandes mejoras de la termopotencia y la movilidad del portador en semiconductores a granel diseñados por puntos cuánticos". Se publica en línea en la Revista de la Sociedad Química Estadounidense y aparecerá en una próxima edición impresa.