Desde su auto caliente a su computadora portátil cálida, cada máquina y dispositivo en su vida desperdicia mucha energía a través de la pérdida de calor. Pero los dispositivos termoeléctricos, que convierten el calor en electricidad y viceversa, puede aprovechar ese calor desperdiciado, y posiblemente proporcionar la eficiencia energética de tecnología verde que se necesita para un futuro sostenible.

Ahora, Un nuevo estudio muestra cómo las sustancias porosas pueden actuar como materiales termoeléctricos, señalando el camino para diseñar el uso de dichos materiales en los dispositivos termoeléctricos del futuro.

Aproximadamente el 70 por ciento de toda la energía generada en el mundo se desperdicia en forma de calor, dijo Dimitris Niarchos del Centro Nacional de Investigación Científica Demokritos en Atenas, Grecia. Él y Roland Tarkhanyan, también de NCSR Demokritos, han publicado su análisis en la revista Materiales APL , de AIP Publishing.

Para crear la tecnología necesaria para capturar este calor, investigadores de todo el mundo han intentado diseñar materiales termoeléctricos más eficientes. Un material prometedor es el que está lleno de pequeños orificios que varían en tamaño desde aproximadamente una micra (10-6 metros) hasta aproximadamente un nanómetro (10 ^-9 metros). "Los termoeléctricos porosos pueden desempeñar un papel importante en la mejora de los termoeléctricos como una alternativa viable para recolectar el calor desperdiciado, "Dijo Niarchos.

El calor viaja a través de un material a través de fonones, unidades cuantificadas de vibración que actúan como partículas portadoras de calor. Cuando un fonón se mete en un agujero, se dispersa y pierde energía. Por lo tanto, los fonones no pueden transportar calor a través de un material poroso de manera tan eficiente, dando al material una baja conductividad térmica, que resulta aumentar la eficiencia de la conversión de calor a electricidad. Cuanto más poroso sea el material, cuanto menor sea la conductividad térmica, y mejor es como material termoeléctrico.

Hasta aquí, sin embargo, Los investigadores aún tienen que modelar sistemáticamente cómo los materiales porosos mantienen baja conductividad térmica, Dijo Niarchos. Así que él y Tarkhanyan estudiaron las propiedades térmicas de cuatro estructuras modelo simples de materiales micro-nano porosos. Este análisis, Niarchos dice, proporciona un plan preliminar sobre cómo diseñar dichos materiales para dispositivos termoeléctricos.

En general, Los investigadores encontraron que cuanto más pequeños son los poros y más cerca están juntos, cuanto menor sea la conductividad térmica. Sus cálculos coinciden bien con los datos de otros experimentos, Dijo Niarchos. También muestran que, en principio, Los materiales micro-nano porosos pueden convertir el calor en electricidad varias veces mejor que si el material no tuviera poros.

El primer modelo describe un material lleno de agujeros de tamaños aleatorios, que van desde micrones hasta nanómetros de diámetro. El segundo es uno con múltiples capas en el que cada capa contiene poros de diferentes escalas de tamaño, lo que le da una porosidad diferente. El tercero es un material que está compuesto por una celosía cúbica tridimensional de agujeros idénticos. El cuarto es otro sistema de varias capas. Pero en este caso, cada capa contiene una celosía cúbica de agujeros idénticos. El tamaño de los agujeros es diferente en cada capa.

Según el análisis, los modelos primero y cuarto tienen conductividades térmicas más bajas que el segundo. El tercer modelo parece ser el mejor, ya que también tiene una conductividad térmica más baja que el cuarto modelo.

Excepto el primer modelo, sin embargo, todos los modelos no son prácticos porque representan situaciones idealizadas con una perfecta disposición de los poros, Dijo Niarchos. También es prácticamente imposible crear poros del mismo tamaño con precisión. El primer modelo es, por tanto, el más realista.

Todavía, él dijo, todos los distintos modelos demuestran la importancia de la porosidad en los materiales termoeléctricos. Construido sobre fórmulas analíticas simples y generales, los modelos permiten un cálculo muy rápido y preciso de la conductividad térmica de celosía efectiva de un material poroso y el análisis sistemático de dichos materiales.