Si alguna vez ha dado una vuelta en un automóvil de lujo y sintió que su espalda se calentaba o enfriaba con un sistema de control de clima basado en el asiento, entonces probablemente haya experimentado los beneficios de una clase de materiales llamados termoeléctricos. Los materiales termoeléctricos convierten el calor en electricidad, y viceversa, y tienen muchas ventajas sobre los sistemas de calefacción y refrigeración más tradicionales.

Recientemente, Los investigadores han observado que el rendimiento de algunos materiales termoeléctricos se puede mejorar combinando diferentes fases sólidas:más de un material entremezclado como los grumos de grasa y carne en una rebanada de salami. Las observaciones ofrecen la tentadora perspectiva de impulsar significativamente la eficiencia energética de las termoeléctricas, pero los científicos aún carecen de las herramientas para comprender completamente cómo surgen las propiedades generales de combinaciones de fases sólidas.

Ahora, un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de California (Caltech) ha desarrollado una nueva forma de analizar las propiedades eléctricas de los termoeléctricos que tienen dos o más fases sólidas. La nueva técnica podría ayudar a los investigadores a comprender mejor las propiedades termoeléctricas multifase y ofrecer sugerencias sobre cómo diseñar nuevos materiales para obtener las mejores propiedades.

El equipo describe su nueva técnica en un artículo publicado en la revista Letras de física aplicada .

Una vieja teoría hace un 180

Debido a que a veces es difícil fabricar por separado los componentes puros que componen los materiales multifase, los investigadores no siempre pueden medir directamente las propiedades de la fase pura. El equipo de Caltech superó este desafío al desarrollar una forma de calcular las propiedades eléctricas de las fases individuales mientras solo experimentaba directamente con el compuesto.

"Es como si hubieras hecho galletas con chispas de chocolate, y quieres saber a qué saben las chispas de chocolate y la masa por sí solas, pero no puedes porque cada bocado que tomas tiene tanto chispas de chocolate como masa, "dijo Jeff Snyder, investigador de Caltech que se especializa en materiales y dispositivos termoeléctricos.

Para separar las "papas fritas" y la "masa" sin tener que hornear la galleta, Snyder y sus colegas recurrieron a una teoría de décadas de antigüedad, llamada teoría del medio efectivo, y le dieron un nuevo giro.

"La teoría del medio eficaz es bastante antigua, "dijo Tristan Day, estudiante de posgrado en el laboratorio Caltech de Snyder y primer autor del artículo de APL. La teoría se utiliza tradicionalmente para predecir las propiedades de un compuesto a granel basándose en las propiedades de las fases individuales. "Lo nuevo de lo que hicimos es que tomamos un compuesto, y luego restituyó las propiedades de cada fase constituyente, "dijo Day.

La clave para hacer que la inversión funcione radica en la forma diferente en que cada parte de un material termoeléctrico compuesto responde a un campo magnético. Al medir ciertas propiedades eléctricas en un rango de diferentes intensidades de campo magnético, los investigadores pudieron desentrañar la influencia de las dos fases diferentes.

El equipo probó su método en el termoeléctrico Cu1.97 Ag0.03Se ampliamente estudiado, que consta de una estructura cristalina principal de Cu2Se y una fase de impureza con la estructura cristalina de CuAgSe.

¿Control de temperatura del futuro?

Los materiales termoeléctricos se utilizan actualmente en muchas aplicaciones de nicho, incluyendo asientos de coche con aire acondicionado, enfriadores de vino, y refrigeradores médicos utilizados para almacenar medicamentos sensibles a la temperatura.

"Los beneficios definitivos del uso de termoeléctricos son que no hay partes móviles en el mecanismo de enfriamiento, y no tiene que tener las mismas fluctuaciones de temperatura típicas de un refrigerador con compresor que se enciende cada media hora, traquetea un poco y luego se apaga, "dijo Snyder.

Uno de los inconvenientes de los sistemas de refrigeración termoeléctricos, sin embargo, es su consumo de energía.

Si se usa de la misma manera que un sistema de enfriamiento basado en compresor, la mayoría de las termoeléctricas comerciales requerirían aproximadamente 3 veces más energía para entregar la misma potencia de enfriamiento. El análisis teórico sugiere que la eficiencia energética de los termoeléctricos podría mejorarse significativamente si se encontraran las combinaciones de materiales y estructuras adecuadas. y esta es un área en la que los nuevos métodos de cálculo de Synder y sus colegas pueden ayudar.

Muchos de los beneficios de rendimiento de la termoeléctrica multifásica pueden provenir de los efectos cuánticos generados por estructuras a micro y nanoescala. Los cálculos de los investigadores de Caltech hacen suposiciones clásicas, pero Snyder señala que las discrepancias entre los cálculos y las propiedades observadas podrían confirmar los efectos a nanoescala.

Snyder también señala que, si bien los termoeléctricos pueden ser menos eficientes energéticamente que los compresores, Su pequeño tamaño y versatilidad significan que podrían usarse de formas más inteligentes para reducir el consumo de energía. Por ejemplo, Los calentadores o refrigeradores termoeléctricos podrían colocarse en áreas estratégicas alrededor de un automóvil, como el asiento y el volante. Los sistemas termoeléctricos crearían la sensación de calidez o frescura para el conductor sin consumir la energía para cambiar la temperatura de toda la cabina.

"No sé ustedes, pero cuando me siento incómodo en un auto es porque estoy sentado en un asiento caliente y mi trasero está caliente, "dijo Snyder." En principio, 100 vatios de refrigeración en un asiento de automóvil podrían reemplazar 1000 vatios en la cabina ".

Por último, al equipo le gustaría utilizar sus nuevos conocimientos de termoeléctrica para diseñar materiales "inteligentes" con las propiedades adecuadas para cualquier aplicación en particular.

"Nos divertimos mucho porque pensamos en nosotros mismos como ingenieros de materiales con la tabla periódica y las microestructuras como patios de recreo, "Dijo Snyder.