Los científicos de la Universidad de Colorado Boulder han encontrado una forma creativa de mejorar radicalmente los materiales termoeléctricos, un hallazgo que algún día podría conducir al desarrollo de paneles solares mejorados, equipos de refrigeración más eficientes desde el punto de vista energético, e incluso la creación de nuevos dispositivos que podrían convertir las grandes cantidades de calor desperdiciado en las centrales eléctricas en más electricidad.

La técnica, la construcción de una serie de pequeños pilares sobre una hoja de material termoeléctrico, representa una forma completamente nueva de atacar un problema centenario. dijo Mahmoud Hussein, un profesor asistente de ciencias de la ingeniería aeroespacial que fue pionero en el descubrimiento.

El efecto termoeléctrico, descubierto por primera vez en el siglo XIX, se refiere a la capacidad de generar una corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura entre un lado de un material y el otro. En cambio, La aplicación de voltaje eléctrico a un material termoeléctrico puede hacer que un lado del material se caliente mientras que el otro permanece frío. o, alternativamente, un lado para enfriar mientras que el otro permanece caliente.

Los dispositivos que incorporan materiales termoeléctricos se han utilizado de ambas formas:para crear electricidad a partir de una fuente de calor, como el sol, por ejemplo, o para enfriar instrumentos de precisión consumiendo electricidad.

Sin embargo, El uso generalizado de materiales termoeléctricos se ha visto obstaculizado por un problema fundamental que ha mantenido ocupados a los científicos durante décadas. Los materiales que permiten que la electricidad fluya a través de ellos también permiten que el calor fluya a través de ellos. Esto significa que, al mismo tiempo, una diferencia de temperatura crea un potencial eléctrico, la diferencia de temperatura en sí misma comienza a disiparse, debilitando la corriente que creó.

Hasta la década de 1990, Los científicos abordaron este problema buscando materiales con propiedades intrínsecas que permitieran que la electricidad fluyera más fácilmente que el calor.

"Hasta hace 20 años, la gente estaba mirando la química de los materiales, ", Dijo Hussein." Y luego la nanotecnología entró en escena y permitió a los investigadores diseñar los materiales para las propiedades que querían ".

Usando nanotecnología, Los físicos de materiales comenzaron a crear barreras en materiales termoeléctricos, como agujeros o partículas, que impedían el flujo de calor más que el flujo de electricidad. Pero incluso en el mejor escenario, el flujo de electrones, que transportan energía eléctrica, también se ralentizó.

En un nuevo estudio publicado en la revista Cartas de revisión física , Hussein y el estudiante de doctorado Bruce Davis demuestran que la nanotecnología podría usarse de una manera completamente diferente para ralentizar la transferencia de calor sin afectar el movimiento de los electrones.

El nuevo concepto implica la construcción de una serie de pilares a nanoescala sobre una lámina de material termoeléctrico, como el silicio, para formar lo que los autores llaman un "metamaterial nanofonónico". El calor se transporta a través del material como una serie de vibraciones, conocidos como fonones. Los átomos que forman los pilares en miniatura también vibran en una variedad de frecuencias. Davis y Hussein usaron un modelo de computadora para mostrar que las vibraciones de los pilares interactuarían con las vibraciones de los fonones, ralentizando el flujo de calor. No se espera que las vibraciones de los pilares afecten la corriente eléctrica.

El equipo estima que sus pilares a nanoescala podrían reducir el flujo de calor a través de un material a la mitad, pero la reducción podría ser significativamente mayor porque los cálculos se hicieron de manera muy conservadora, Dijo Hussein.

"Si podemos mejorar significativamente la conversión de energía termoeléctrica, Habrá todo tipo de aplicaciones prácticas importantes, ", Dijo Hussein. Estos incluyen recuperar el calor residual emitido por diferentes tipos de equipos, desde computadoras portátiles hasta automóviles y plantas de energía, y convertir ese calor en electricidad. Mejores termoeléctricos también podrían mejorar enormemente la eficiencia de los paneles solares y los dispositivos de refrigeración.

El siguiente paso es que Hussein se asocie con colegas del departamento de física y otras instituciones para fabricar los pilares para que la idea se pueda probar en el laboratorio. "Esto es todavía temprano en la fase de demostración de laboratorio, pero los pasos restantes están al alcance".

Hussein también espera refinar aún más los modelos que usó para obtener información adicional sobre la física subyacente. "Un equipo de estudiantes de doctorado altamente motivados trabaja conmigo las veinticuatro horas del día en este proyecto, " él dijo.